单频多模磁绝缘线振荡器的3维数值模拟

为解决实验中经常遇到的输出微波频率不纯问题,提出一种新型磁绝缘线振荡器,采用2维周期慢波结构,使对称模式和低阶非对称模的工作频率相同,在模式竞争条件下得到纯频微波输出。利用3维电磁场软件计算表明,新型磁绝缘线振荡器的慢波结构的对称模式和低阶非对称模的π模谐振频率相同;3维粒子模拟计算表明,在450 kV,40 kA输入条件下,微波输出平均功率由2.4 GW提升至2.8 GW,输出模式为多种模式混合,频率为单一的1.22 GHz。     

一种改进型C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟研究

提出了一种改进型C波段磁绝缘线振荡器,并对其进行了优化设计。首先根据磁绝缘原理对慢波结构进行了理论分析,并选择了磁绝缘线振荡器阴极半径和主慢波结构的基本参数,然后用2.5维全电磁PIC方法研究了输出功率与其它参数之间的关系。模拟表明,优化结构可以在输入约21GW电功率（工作电压约500kV）的条件下,得到频率3.91GHz、平均功率2.71GW的微波输出,其饱和时间为10ns,平均效率为12.9%。     

一种改进型C波段磁绝缘线振荡器的数值模拟研究

 提出了一种改进型C波段磁绝缘线振荡器，并对其进行了优化设计。首先根据磁绝缘原理对慢波结构进行了理论分析，并选择了磁绝缘线振荡器阴极半径和主慢波结构的基本参数，然后用2.5维全电磁PIC方法研究了输出功率与其它参数之间的关系。模拟表明，优化结构可以在输入约21GW电功率（工作电压约500kV）的条件下，得到频率3.91GHz、平均功率2.71GW的微波输出，其饱和时间为10ns，平均效率为12.9%。     

轴向分区双频磁绝缘线振荡器的数值模拟

为了便于模式变换器的设计,达到双频微波都能集中辐射的目的,提出一种轴向分区的双频磁绝缘线振荡器,该器件束波互作用区为中间隔开、两端不同周期、不同深度的慢波结构,使电子在上下游与不同频率特性的慢波结构进行束波互作用,得到稳定的双频微波输出。使用2.5维全电磁粒子模拟软件进行数值模拟,在工作电压450 kV,电流40 kA条件下输出微波功率为1.4 GW,功率效率约为7%,输出的微波频率分别为1.25 GHz和1.65 GHz,两者频谱幅度相差约为1.5 dB,模式为TEM模。     

轴向分区双频磁绝缘线振荡器的数值模拟

 为了便于模式变换器的设计,达到双频微波都能集中辐射的目的,提出一种轴向分区的双频磁绝缘线振荡器,该器件束波互作用区为中间隔开、两端不同周期、不同深度的慢波结构,使电子在上下游与不同频率特性的慢波结构进行束波互作用,得到稳定的双频微波输出。使用2.5维全电磁粒子模拟软件进行数值模拟,在工作电压450 kV,电流40 kA条件下输出微波功率为1.4 GW,功率效率约为7%,输出的微波频率分别为1.25 GHz和1.65 GHz,两者频谱幅度相差约为1.5 dB,模式为TEM模。     

HEM11模磁绝缘线振荡器的高频分析

作为小型化和紧凑型的高功率微波源,磁绝缘线振荡器(MILO)在过去十几年里得到了广泛的研究和发展.在大多数研究中,最低的对称模一直被当作器件的主模.然而,由于结构的对称性或者电子发射均匀度不理想等原因,很容易激励起非对称模式.计算了MILO同轴结构中同时包含对称模和非对称模的本征方程.在此基础上,通过对结构的优化设计,提出了一种HEM₁₁模工作的MILO,并开展了原理性实验.在二极管的电压为480kV,电流为39kA条件下得到了功率为1.2GW,脉冲宽度为40ns的微波输出,功率转换 关键词： 磁绝缘线振荡器 高频特性 11模')" href="#">HEM₁₁模 开放腔     

HEM11模磁绝缘线振荡器的高频分析

作为小型化和紧凑型的高功率微波源,磁绝缘线振荡器(MILO)在过去十几年里得到了广泛的研究和发展.在大多数研究中,最低的对称模一直被当作器件的主模.然而,由于结构的对称性或者电子发射均匀度不理想等原因,很容易激励起非对称模式.计算了MILO同轴结构中同时包含对称模和非对称模的本征方程.在此基础上,通过对结构的优化设计,提出了一种HEM..模工作的MILO,并开展了原理性实验.在二极管的电压为480 kV,电流为39kA条件下得到了功率为1.2 GW,脉冲宽度为加40 ns 的微波输出,功率转换效率约为6.5%,微波频率为1.98 GHz,模式为HEM11模.     

磁绝缘线振荡器中模式竞争的物理分析和数值模拟

作为一种紧凑型高功率微波器件,磁绝缘线振荡器在起振过程中容易出现模式竞争现象,如果不能对其进行有效抑制,可能导致器件的最终输出性能下降.由于磁绝缘线振荡器中波束互作用区通常采用同轴盘荷波导作为其慢波结构,因此本文从同轴盘荷波导中几个可能被相对论电子束激发的低阶本征模与电子束之间的色散关系入手,分析了三种类型的模式竞争的特点、产生的可能原因以及削弱方法.基于以上分析,给出了一种高功率紧凑型L波段磁绝缘线振荡器的物理模型,并利用全电磁三维粒子程序对其进行了冷腔和热腔的数值模拟.结果表明,由于结构不完全对称和电子发射可能存在一定的非均匀性,器件运行初期互作用区有竞争模式HEM₁₁模出现,与理论分析一致;起振一小段时间后(10 ns左右),互作用区基模增长加快,高阶模被抑制.进一步优化后器件在基模获得了高效率和高功率微波输出,饱和时输出功率约为8.1 GW,输出效率达到了18%,模式纯度约为97%.本文研究结果可为磁绝缘线振荡器运行过程中出现的竞争模式的识别和输出性能优化提供理论参考和依据.     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。     

利用负载电流产生微波的新型MILO

 为了进一步提高MILO产生微波的功率和效率，提出了其负载电流能量全部利用来产生微波的新思想。设计并运用二维全电磁PIC方法模拟了基于此思想的新型MILO，它是传统MILO与VCO的有机结合(简称MVO)。模拟结果表明MVO中MILO部分与作为MILO负载的VCO部分各自工作正常，VCO部分产生微波的主频受MILO部分产生微波的牵引。在输入25GW电功率（工作电压约500kV）下，与相应传统MILO相比，MVO的微波平均输出功率提高了500MW，效率从6%提高到了8%。     

利用负载电流产生微波的新型MILO

为了进一步提高MILO产生微波的功率和效率,提出了其负载电流能量全部利用来产生微波的新思想。设计并运用二维全电磁PIC方法模拟了基于此思想的新型MILO,它是传统MILO与VCO的有机结合(简称MVO)。模拟结果表明MVO中MILO部分与作为MILO负载的VCO部分各自工作正常,VCO部分产生微波的主频受MILO部分产生微波的牵引。在输入25GW电功率（工作电压约500kV）下,与相应传统MILO相比,MVO的微波平均输出功率提高了500MW,效率从6%提高到了8%。     

Investigation of an S-Band Tapered Magnetically Insulated Transmission Line Oscillator

We present an improved structure of the tapered magnetically insulated transmission fine oscillator （MILO）. Simulation results show that this structure can obtain more microwave power with higher efficiency. Studies indicate that the distance between the load support legs and the last vane can affect the operation characteristics of this device. In the experiments, we obtain microwave with peak power of 2 GW, frequency of 2.63 GHz, and mode TMol. The beam to microwave power efficiency is 11%.     

P波段混合型MILO的粒子模拟

结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构,主要以负载限制型MILO结构作为雏形,将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换。该结构可更好地实现束波相互作用,并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配,增加微波输出功率。器件纵向总长度为47 cm,外筒直径为44 cm。优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明：在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下,输出微波的中心频率为640 MHz,平均功率为4.27 GW,束波转换效率为13.6％,器件4 ns时起振,6 ns达到饱和,且微波输出功率十分稳定,最终输出微波模式为TEM模。     

P波段混合型MILO的粒子模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构,主要以负载限制型MILO结构作为雏形,将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换。该结构可更好地实现束波相互作用,并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配,增加微波输出功率。器件纵向总长度为47 cm,外筒直径为44 cm。优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明：在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下,输出微波的中心频率为640 MHz,平均功率为4.27 GW,束波转换效率为13.6％,器件4 ns时起振,6 ns达到饱和,且微波输出功率十分稳定,最终输出微波模式为TEM模。     

L波段端面发射高效率磁绝缘线振荡器

 建立了磁绝缘线振荡器自磁绝缘的理论模型,给出了磁绝缘电流计算公式。然后给出了非线性稳态的最大轮辐电流计算公式,并据此分析了负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率。提出一种新型的端面发射型磁绝缘线振荡器,在二极管电压590 kV,二极管电流为55.47 kA情况下,粒子模拟得到周期平均功率6.1 GW左右,工作主频为1.24 GHz,束波转换效率18.64%左右。端面发射型磁绝缘线振荡器的效率比负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率提高6%左右。端面发射的电流不参与束波互作用,由于端面发射的电流比较小,在总电流不变的情况下参与束波互作用的电流增多,从而提高了效率。最后分析了角向磁场的分布以及自磁绝缘的情况。     

L波段端面发射高效率磁绝缘线振荡器

建立了磁绝缘线振荡器自磁绝缘的理论模型,给出了磁绝缘电流计算公式。然后给出了非线性稳态的最大轮辐电流计算公式,并据此分析了负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率。提出一种新型的端面发射型磁绝缘线振荡器,在二极管电压590 kV,二极管电流为55.47 kA情况下,粒子模拟得到周期平均功率6.1 GW左右,工作主频为1.24 GHz,束波转换效率18.64%左右。端面发射型磁绝缘线振荡器的效率比负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率提高6%左右。端面发射的电流不参与束波互作用,由于端面发射的电流比较小,在总电流不变的情况下参与束波互作用的电流增多,从而提高了效率。最后分析了角向磁场的分布以及自磁绝缘的情况。     

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器(MILO)进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。     

高阻抗磁绝缘线振荡器微波提取结构

指出了磁绝缘线振荡器（MILO）微波提取结构传统设计方法中可能存在的问题。通过高频电磁软件模拟得到当微波提取结构具有不同特征阻抗时TEM模式功率传输效率在MILO工作频点附近的频率响应规律。模拟结果表明,当MILO阻抗较高时,用传统方式设计的微波提取结构不能满足TEM模式传输的要求。为了解决高阻抗情况下TEM模式的传输困难,提出并讨论了阶梯负载的设计方案。进一步模拟结果表明,阶梯负载克服了TEM模式的传输困难,提高了微波提取结构对MILO频率漂移的适应能力。