矩形波纹过模周期慢波结构色散特性及其单模工作分析

 通过数值模拟，给出了一种求解矩形波纹过模周期慢波结构TM_0n模的色散关系的简便方法；研究了周期慢波系统平均半径、波纹周期、波纹幅度等结构参数对本征模式色散特性的影响；讨论了周期慢波系统中表面波与体积波的存在条件；分析了过模周期慢波系统仍能工作在单模状态下的原因。结果表明，过模周期慢波系统中，当结构参数满足一定条件，且与束电压、束半径匹配，使电子束与TM₀₁模同步点位于π模附近，此时TM₀₁模的总场是表面波，在两种选模机制作用下系统可实现TM₀₁单模工作。     

相对论返波管慢波结构的起始端设计

 对相对论返波管的慢波结构中横磁模－TM₀₁模的空间谐波系数进行了理论计算。理论上证明采用所述的4种方法构造的有限长度的慢波结构谐振腔,其一些电动力学特性可以等效为无限长结构的特性。根据慢波结构内场分布的特点和计算机数值模拟结果,提出为了提高相对论返波管的转换效率,一般选择慢波结构的起始端从波纹最深处开始。     

具有谐振腔的多波切伦柯夫振荡器的粒子模拟

 设计了一种新型的多波切伦柯夫振荡器，即在第二慢波段和输出喇叭之间加一个谐振腔，并采用PIC方法模拟了器件产生微波的物理过程。结果表明这种新型器件符合普通多波切伦柯夫振荡器的基本特征，同时具有纵向尺寸短，导引磁场低，功率、效率高等优点。     

X波段五腔渡越管振荡器的高频特性研究

 从麦克斯韦方程出发，采用时域有限差分的方法，对X波段五腔渡越管振荡器的谐振腔进行了高频特性研究，给出了该谐振腔中的TM₀₁模的非π模式的本征频率、Q值以及对应的场分布，并用实验冷测法测出了谐振腔的谐振频率与Q值。数值计算与实验结果比较一致，说明了该高频特性研究结果的可靠性。     

等离子体部分填充的波纹慢波结构中电磁波色散特性

 对有限厚环形等离子体层填充的波纹慢波结构中电磁波色散特性进行了分析。研究结果表明，对于ω＞ω_p的高频TM_0n模，模式色散曲线随等离子体密度的增加而上移；ω≤ω_p的低频等离子体模为一系列呈周期变化的密度谱，部分模式能与电子注发生较强的同步互作用。等离子体模的时间增长率随等离子体密度的增加快速增加，而TM_0n模则快速减小或缓慢增加，因此在较高的等离子体密度下，高频模式可能被抑制。     

基于同轴TM812模谐振腔的毫米波多注速调管

 研究了群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率和同轴TM₈₁₂模谐振腔中微波能量的提取方法,论证了其作为毫米波多注速调管的输出腔的可行性。研究结果表明:理想群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率可达3.29%,一般群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率可达1.86%;采用同轴TM₈₁₂模谐振腔与沿轴向的同轴线耦合可以实现微波能量的提取;在输出腔工作频率为100.945 GHz,外观品质因数为2 243情形下,根据估算,最大输出功率可达15 kW。     

TM01-TE11双弯形圆波导模式转换器轴线长度与拍波波长关系研究

 对于TM₀₁-TE₁₁双弯形圆波导模式转换器，在保持出射端口与入射端口轴线平行且两曲率半径相等时，通过对其轴线长度与TE₁₁和TM₀₁模式间拍波波长的分析，证明了在两模式间实现有效转换时，两者成正比例关系，且比例常数为2/2，并给出了相应的物理解释。通过对具体参数及模拟结果的分析，得出了模拟功率转换效率超过98%时所适用的频率下限，其值为TM₀₁模式截止频率的1.07倍。     

高功率微波弯曲圆波导设计

 报道了可分别传输TM₀₁模和TE₀₁模的两种弯曲圆波导的设计方法和计算结果。研究表明：所设计的TM01模弯曲波导和TE₀₁模弯曲波导在中心频率上传输效率均超过99.5%,传输效率大于95%的带宽分别达到20.0%和14.4%;该两个弯曲波导也分别适用于传输TE₁₁模和TM₁₁模;水平极化TE₁₁模与TM₀₁模、垂直极化TM₁₁模与TE₀₁模在弯曲圆波导中传输时具有相似的传输效率和频带特性;而垂直极化TE₁₁模、水平极化TM₁₁模由于不易和其它模式耦合,在弯曲波导中传输时具有较高的传输效率。     

TM610高次模圆柱谐振腔的模拟研究

 根据电磁场理论设计了S波段TM610高次模圆柱谐振腔。运用HFSS，ISFELD3D， CST-MS及MAFIA软件计算了该谐振腔中TM₆₁₀及其附近模式的电磁场分布、谐振频率及模式间隔。计算表明：TM₆₁₀模式的电磁场集中在漂移管头周围的区域，谐振腔中心处无电磁场分布。根据TM₆₁₀模式的特点，采取了在腔中心放置铁氧体微波吸收材料的方法来抑制杂模。HFSS模拟表明：腔内吸收材料可消除TM₅₁₀模式外大部分杂模的影响。采用了在主谐振腔外加耦合吸收腔的方法来抑制TM₅₁₀模式，该吸收腔基模TM₀₁₀的谐振频率等于TM₅₁₀的谐振频率。模拟表明：TM₅₁₀模式的大部分能量可以被吸收腔内的铁氧体材料衰减掉，Q值从15 604下降到571。     

引导磁场对相对论返波管微波功率的影响

 对引导磁场大小对相对论返波管(RBWO)微波功率的影响进行了理论和实验研究。首先利用KARAT软件对RBWO进行了全电磁PIC数值模拟,发现当磁场降低时,TE模与TM₀₁模的竞争导致微波功率降低,同时模拟中观察到“电子回旋共振吸收”现象,它是由于电子束与慢波结构中TM₀₁模的基波相互作用的结果;然后进行了实验研究,实验结果与数值模拟基本相符。     

高功率O型慢波器件的纵向模式选择研究

利用传输线理论说明了由于慢波结构与其输入、输出端阻抗不匹配导致同一横模对应的不同纵模的形成;根据S参数方法，研究了过模慢波结构TM01模对应各纵模的频率、场分布和Q值，并分析了慢波结构周期数对纵模的数目、纵模间的频率间隔以及各纵模Q值的影响等.在此基础上提出在O型慢波器件中使用谐振腔，可减少慢波结构周期数，不但使器件结构更为紧凑，还可避免纵模竞争，从而提高器件效率、稳定产生微波频率. 关键词： 纵模选择 传输线理论 慢波结构 谐振腔 O型高功率慢波器件     

一种X波段过模高效率相对论返波管

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM₀₁模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM₀₁模表面波主要转化为TM₀₂模的体波,其输出微波的模式主要为TM₀₂模,占比为81%,其余为TM₀₁模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM₀₁模与TM₀₂模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV,电流14.3 kA,得到了6.6 GW的输出功率,转换效率约51%。     

A novel overmoded slow-wave high-power microwave (HPM) Generator

We present the design and experimental results of a novel overmoded slow-wave high-power microwave (HPM) generator that is featured by its compactness, low-operation magnetic field, and potentially high power and high efficiency. The device includes two slow-wave structure (SWS) sections, a resonant cavity, and a tapered waveguide. The resonant cavity was well designed and was used to achieve the axial mode selection and to decrease the length of the SWS sections. The radial mode selection is achieved using the property of "surface wave" of the device to excite the TM/sub 01/ mode while making the higher TM/sub 0n/ modes unexcited. The physical mechanisms of axial and radial mode selections ensure that the microwave is produced with a single mode and a narrow band. The feasibility of low magnetic field operation is also investigated based on the characteristics of the overmoded slow-wave devices. Experiments were carried out at the Spark-2 accelerator. At diode voltage of 474 kV, beam current of 5.2 kA, and guiding magnetic field strength of 0.6 T, a microwave was generated with power of 510 MW, mode of TM/sub 01/, and frequency of 9.54 GHz. The relative half width of the frequency spectrum is /spl Delta/f/f= 0.6%, and the beam-to-microwave efficiency is about 21% in our experiment.     

速调型相对论返波管理论研究

对速调型相对论返波管慢波结构色散特性及束波相互作用进行了理论研究。色散特性研究表明:器件工作模式为TM01模,近点,耦合阻抗较高。色散特性预测的工作频率与粒子模拟结果非常接近。慢波结构峰值增长率相对较小,这与电子束与慢波结构相距较大有关,因而器件从起振到饱和的时间较长。在束波相互作用理论中,全面考虑了电子束与慢波结构前向波基波、反向波－1次空间谐波及空间电荷场相互作用、谐振反射器对电子束进行的束流调制和能量调制作用,以及调制腔和提取腔处引入的耦合阻抗及轴向波数突变。稳态和非稳态计算结果均获得了超过40%的束波转换效率。     

带高阶模谐振腔反射器的过模高功率毫米波源

针对过模系数为2.3的高功率毫米波发生器设计了工作于高次模的谐振腔反射器。谐振腔反射器工作模式为TM035模式,在58~62 GHz频带内对TM01模式的反射系数大于0.9。运用2.5维全电磁粒子程序模拟分析了器件中束波相互作用过程,通过调整慢波结构与谐振腔反射器间的漂移段长度得到了器件在570 kV,6.0 kA电子注量驱动下,在引导磁场为4 T时,能辐射出功率1.06 GW、频率为60.2 GHz的毫米波,主要工作模式为TM01模,效率约为31%,起振时间为3.3 ns。     

O型契伦柯夫器件慢波结构高频特性

理论推导了电磁波在半无限长直波导和均匀慢波结构交界面上的反射系数表达式,得到反射系数模值和相位随电磁波的纵向相移常数和慢波结构末端相位的变化关系。运用传输线理论以及反射系数的理论计算结果,得到了有限长慢波结构的纵向谐振条件,可以分析各种情况下有限长慢波结构的纵向谐振特性。计算了一种有限长慢波结构的纵向谐振频率,理论预测与数值仿真结果基本一致。对于一种非均匀慢波结构的数值计算结果表明,其纵向谐振模式对应的频率、场分布与相应的均匀慢波结构接近,因此仍可根据提出的纵向谐振条件对非均匀慢波结构进行分析。     

等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性研究

等离子体填充慢波器件为高效率、高功率真空电子微波源的发展提供了新的途径, 但其仿真和理论都具有一定的难度. 本文将通过轮辐天线加载激励信号的方法引入到等离子体填充金属光子晶体慢波结构(SWS)的色散特性仿真分析中, 研究了慢波结构参数和等离子体密度对等离子体填充慢波结构色散特性的影响. 结果表明, 无等离子体填充时, 通过轮辐天线加载激励信号方式得到的色散特性与其他方法差别不大; 与已有结果对比表明, 该方法适用于等离子体填充慢波结构的分析. 为了减小轮辐天线对腔体谐振频率的影响, 需要适当减薄轮辐天线的厚度, 并尽可能缩短其与反射面之间的距离. 天线的厚度越大越能激励慢波场, 越小谐振模式越容易被激励; 慢波结构周期膜片外半径和厚度对色散特性影响不大, 周期长度和膜片内半径对色散特性影响较大; 频率和相速色散曲线随等离子体密度上升而整体向高频区移动; 等离子体填充对低频模点的影响要大于对高频模点的影响; 对于慢波器件, 需要选择高频模点工作模式, 以减少腔的尺寸并降低电子注的初速度.     

渐变慢波结构的太赫兹过模表面波振荡器北大核心CSCD

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器,获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法,研究分析了这种复合高频结构中TM_(01)模的谐振特性。然后采用2.5维PIC(Particle-in-cell)软件UNIPIC,模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明:随着周期数的增加,输出太赫兹波中的TM_(02)和TM_(03)等高次模成分降低,TM_(01)模的功率比例增大至80%以上;选择合适长度的渐变慢波结构,能使得器件输出功率增大50%。     

Analysis of CV mode selected resonator based on vectorial eigenvector method

The vectorial eigenvector method was applied to compute the cylindrical vector(CV) modes of polarization-dependent resonators and multiple modes in the CV mode selected resonator were tracked. Then, the mode characteristics of CV mode selected resonator depending on the Fresnel number, geometry parameters, and polarization parameters were simulated.When the difference in reflection coefficient between radial and azimuthal polarization is greater than 0.021 for spherical semi-confocal cavity, the radially polarized TM01*mode most probably appears in the resonator due to its lowest loss,which is consistent with an azimuthal polarization-selective resonant cavity. Moreover, the appropriate phase shift factor contributes to suppress non-rotationally symmetrical modes, which promotes the selection of CV modes. The Fresnel number between 2 and 2.5 are the appropriate range of values when the value of geometry parameters g2 is 0.5, both of which decide the effective Fresnel number.