具有任意槽的矩形波导栅慢波结构高频特性的研究

将任意形状槽的连续轮廓近似用一系列相连的矩形阶梯近似，利用各阶梯面上导纳的匹配，以及槽与互作用区边界场的连续与匹配条件，获得了具有任意槽的矩形波导栅慢波结构的色散方程和耦合阻抗的表达式，并进行理论上的验证.加工制作了矩形槽波导栅模型，冷测表明理论值与测量值相吻合.分别求解几种特殊槽形矩形波导栅慢波结构的色散特性及耦合阻抗，其中，三角形结构的色散和耦合阻抗均最弱，而倒梯形结构色散最强，耦合阻抗最大. 关键词： 矩形波导栅 任意槽 色散特性 慢波结构     

同轴交错圆盘加载波导慢波结构高频特性的研究

采用多导体传输线分析方法, 对同轴交错圆盘加载波导慢波结构进行了理论分析, 得到了这种慢波结构的色散方程; 利用该色散方程, 得到的色散特性与HFSS仿真软件模拟结果符合良好. 分析了结构参数的变化对同轴交错圆盘加载波导慢波结构的色散特性影响. 结果表明: 增加内径和减小慢波结构的单位周期长度可以拓展慢波结构的带宽. 对同轴圆盘加载波导和同轴交错圆盘加载波导两种慢波结构的色散特性进行了比较, 结果表明: 采用圆盘交错加载方式可以减弱色散, 拓展带宽. 研究结果对同轴交错圆盘加载波导在毫米波行波管中的应用具有指导意义. 关键词： 行波管 同轴交错圆盘加载波导 慢波结构 色散特性     

磁绝缘线振荡器同轴慢波结构色散特性分析

同轴慢波结构是磁绝缘线振荡器的核心部分。从麦克斯韦方程组和弗洛奎定理出发,导出了磁绝缘线振荡器同轴慢波结构中TM模式的色散方程,并通过数值计算分析了此慢波结构的几何参数对磁绝缘线振荡器高频特性的影响,为磁绝缘线振荡器慢波结构设计提供了依据。     

同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TM0n模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。     

同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

 运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TM_0n模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。     

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性

利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A 模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这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。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700 keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。     

V形曲折矩形槽慢波结构的研究

提出了一种新型的慢波结构—-V形曲折矩形槽慢波结构, 该结构是由矩形槽波导沿其E面法向周期性呈V形折叠而成, 其两金属板之间的间隙形成天然的带状电子注通道. 相比传统的U形曲折矩形槽波导, 它能在保持良好高频特性的情况下增加互作用面积, 从而可以采用面积更大的带状电子注以获得更大的输出功率. 分析了该结构的高频特性, 在V波段完成了对行波管互作用电路的设计, 并利用三维粒子模拟的方法估计了其工作性能. 研究结果表明, 当工作电压和电流分别为12.8 kV和600 mA 时, 在58—64 GHz的频率范围内饱和平均输出功率大于1000 W, 相应的饱和增益和电子效率分别大于33 dB和13.2%.     

螺旋线厚度对螺旋线慢波结构高频特性的影响

在螺旋坐标系下采用近似场匹配法研究了厚度较厚的螺旋线慢波结构的高频特性,得到了其色散方程,并数值计算了螺旋线厚度对慢波系统的相速的影响。结果表明:随螺旋线厚度的增加,慢波结构的色散曲线变得平坦,色散变弱,带宽增加。与软件仿真结果及Hook的螺旋线模型对比表明:采用近似场匹配法的计算结果与CST仿真吻合得更好,比Hook模型具有更高的准确性,从而证明所采用理论方法的有效性。     

螺旋线厚度对螺旋线慢波结构高频特性的影响

在螺旋坐标系下采用近似场匹配法研究了厚度较厚的螺旋线慢波结构的高频特性,得到了其色散方程,并数值计算了螺旋线厚度对慢波系统的相速的影响。结果表明：随螺旋线厚度的增加,慢波结构的色散曲线变得平坦,色散变弱,带宽增加。与软件仿真结果及Hook的螺旋线模型对比表明：采用近似场匹配法的计算结果与CST仿真吻合得更好,比Hook模型具有更高的准确性,从而证明所采用理论方法的有效性。     

三种同轴双波纹周期慢波结构对比研究

利用Fourier级数展开法,给出了任意几何结构的表达式的求解方法.通过数值计算,对比分析了余弦、梯形和矩形波纹慢波结构(slow-wave structure,SWS)的色散特性.根据S参数理论,研究了这三种SWS纵向模式选择的特性,提出了在同轴慢波器件中加入同轴引出结构,可减少所需SWS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.进一步通过KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序,探讨了分别采用三种SWS的相对论返波振荡器(backward-wave oscillator,BWO)的束-波作用的物理过程,设计了一种紧凑型、吉瓦级、同轴L波段BWO,分析了不同形状SWS的选取原则.在此基础上,开展了初步实验研究：在二极管电压为670 kV,电子束流为107 kA,引导磁场为075 T的条件下,输出微波峰值功率约为102 GW,微波波形半高宽为22 ns,功率转换效率约为142%,频率为161 GHz.     

新型自由矩形螺旋线慢波结构高频特性

在Sheath模型下,采用严格的场匹配法,结合积分形式的边界条件,推导了自由矩形螺旋线的色散方程和耦合阻抗表达式,并与近似理论进行对比。结果表明:与近似理论相比, 严禁场匹配法具有更高的准确性,且采用场匹配法的数值计算结果与3维商业电磁仿真软件结果吻合得很好。从而证明了所采用理论方法的有效性。同时分析了矩形螺旋线横截面尺寸、螺距、螺旋角、纵横比对色散特性和耦合阻抗的影响,结果表明：只有当矩形螺旋线横截面纵横比大于4时,才可忽略横截面的宽度对高频特性的影响,通过调节结构的参数可以改善色散和提高耦合阻抗。     

新型自由矩形螺旋线慢波结构高频特性

 在Sheath模型下,采用严格的场匹配法,结合积分形式的边界条件,推导了自由矩形螺旋线的色散方程和耦合阻抗表达式,并与近似理论进行对比。结果表明:与近似理论相比, 严禁场匹配法具有更高的准确性,且采用场匹配法的数值计算结果与3维商业电磁仿真软件结果吻合得很好。从而证明了所采用理论方法的有效性。同时分析了矩形螺旋线横截面尺寸、螺距、螺旋角、纵横比对色散特性和耦合阻抗的影响,结果表明：只有当矩形螺旋线横截面纵横比大于4时,才可忽略横截面的宽度对高频特性的影响,通过调节结构的参数可以改善色散和提高耦合阻抗。     

曲折圆形槽波导慢波系统的高频特性

对曲折圆形槽波导新型慢波系统的高频特性进行了研究,通过理论分析和数值计算,得到了它的色散曲线和耦合阻抗表达式,并分析了结构参数变化对色散特性和耦合阻抗的影响。研究表明：当周期变小时色散减弱,耦合阻抗增加;而增大直波导长度时色散变弱,但同时耦合阻抗也会下降。因此较小的周期有利于改善曲折圆形槽波导慢波电路的高频特性。鉴于这种电路的耦合阻抗较低,可以适当地减小直波导长度来提高耦合阻抗。曲折槽波导结合了曲折波导散热能力强、色散特性好、容易加工和槽波导单模工作、低损耗、大尺寸等优点,在毫米波及亚毫米波段的行波管中具有较好的发展前景。     

一种矩形截面切伦柯夫脉塞金属周期慢波结构的分析方法

 分析了矩形截面切伦柯夫脉塞周期金属慢波结构的色散特性,以及结构参数的变化对色散曲线的影响。为避免慢波结构两端突变引起的反射振荡,采用等效电路法分析了用于连接光滑波导和慢波结构的渐变段。将线性形、两段形和指数形的渐变段进行了比较。指数形渐变段末端的功率反射系数最小, 并且整体的变化最平缓, 因此可将其作为实现慢波与快波间转换的较优选择。分析了频率和实际加工误差对指数形渐变段功率反射系数的影响:在频率较小时,功率反射系数也较小;固定频率下,较小的加工误差能使交界处功率反射系数的变化较平缓。在此基础上设计了一个功率反射系数小于0.01的指数渐变段,实现了工作模式和快波模式之间的良好匹配。与耦合模理论分析方法相比,等效电路方法更为简洁,二者结果相符合。     

同轴交错膜片加载慢波线的分析

膜片加载圆波导是相对论行波管最主要的慢波结构,同轴结构的膜片加载波导可以拓宽带宽。利用变分法对同轴交错膜片加载的慢波结构（亦称同轴径向线）进行了理论分析,得到了色散方程并进行了数值计算。计算结果表明,它比非同轴结构的带宽有明显的增加。