螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

毫米波沟道梯型慢波结构行波管的线性理论

 在电子通道内引入一薄层空心电子注,对沟道梯型慢波结构行波管进行了线性理论研究,推导出了沟道梯型结构行波管的工作色散方程,计算了沟道梯型行波管的小信号增益和工作相速。计算结果表明：沟道梯型结构行波管每周期的增益高,带宽窄;当沟宽度由零增加到环内径的2倍时,增益减小量不足1%,这表明沟宽度对增益的影响不大;当脊高度增大10%时,增益增加62%,当环内径增大10%,增益减小57%,因此增益与脊高度正相关,与环内径负相关,且相关性十分明显。     

0.22 THz高效率行波管的互作用计算

利用CST Microwave Studio 计算双排矩形梳状慢波结构的色散并据此确定了0.22 THz左右频段（D波段）行波管用慢波结构的尺寸参数。将相速再同步技术应用于基于双排矩形梳状慢波结构的D波段行波管中,用CST PIC模拟计算了4例具有不同周期构型的D波段行波管。结果证实：对于无集中衰减器的D波段行波管,在218~232 GHz范围内,相速再同步技术使得输出功率从10~13 W提高到19~28 W,电子效率从1.4%~2.2%提高到2.6%~3.9%;对于具有集中衰减器D波段行波管,在218~232 GHz范围内,相速再同步技术使得输出功率从8~16.8 W提高到32~41 W,电子效率从1.5%~2.8%提高到4.4%~5.7%。此外,无论行波管有无集中衰减器,相速再同步技术都明显改善了行波管的增益平坦度。     

0.22 THz高效率行波管的互作用计算

利用CST Microwave Studio 计算双排矩形梳状慢波结构的色散并据此确定了0.22 THz左右频段（D波段）行波管用慢波结构的尺寸参数。将相速再同步技术应用于基于双排矩形梳状慢波结构的D波段行波管中,用CST PIC模拟计算了4例具有不同周期构型的D波段行波管。结果证实:对于无集中衰减器的D波段行波管,在218~232 GHz范围内,相速再同步技术使得输出功率从10~13 W提高到19~28 W,电子效率从1.4%~2.2%提高到2.6%~3.9%;对于具有集中衰减器D波段行波管,在218~232 GHz范围内,相速再同步技术使得输出功率从8~16.8 W提高到32~41 W,电子效率从1.5%~2.8%提高到4.4%~5.7%。此外,无论行波管有无集中衰减器,相速再同步技术都明显改善了行波管的增益平坦度。     

螺距和磁场强度与周期的跳变在Ka波段行波管中的应用

以弱色散特性的扇形金属-介质夹持杆螺旋线慢波结构的Ka波段行波管作为研究对象,进行了互作用特性仿真研究。采用螺距跳变和磁场跳变技术进一步提高了该行波管在工作频带的输出功率和电子效率,并解决了电子注散焦问题。设计结果表明：当工作电压为9 kV、工作电流为210 mA时,行波管在24~40 GHz整个频带内,各频点的增益在37.7~48.7 dB之间,电子效率在15.18%~19.42%之间,输出功率大于286 W。此结果较之均匀周期的设计结果,电子效率增幅在4.19%以上,输出功率增长率在4.3%以上,尤其在26~37 GHz范围内,电子效率增幅达到了11.8%以上,输出功率增长率达11.9%。     

螺旋坐标系下考虑厚度的螺旋线行波管小信号研究

采用螺旋坐标系对有限厚度的螺旋带行波管进行了注波互作用的线性理论分析,利用自洽场理论得出了此结构中引入电子注后的热色散方程,数值计算了其小信号增益,分析了电子注参数和螺旋线厚度对于螺旋线慢波系统的色散特性的影响。结果表明：螺旋线厚度的增加,行波管的小信号增益也会增加,且带宽也略有增加。该结论为高增益宽频带的螺旋线行波管放大器的设计提供了理论基础。     

螺旋坐标系下考虑厚度的螺旋线行波管小信号研究(英文)

采用螺旋坐标系对有限厚度的螺旋带行波管进行了注波互作用的线性理论分析,利用自洽场理论得出了此结构中引入电子注后的"热"色散方程,数值计算了其小信号增益,分析了电子注参数和螺旋线厚度对于螺旋线慢波系统的色散特性的影响。结果表明:螺旋线厚度的增加,行波管的小信号增益也会增加,且带宽也略有增加。该结论为高增益宽频带的螺旋线行波管放大器的设计提供了理论基础。     

基于电子注可回收能力的空间行波管慢波结构的优化设计

探索了一种行波管效率提高的优化设计方法.该方法在不降低电子效率的前提下,对慢波结构进行优化以获得互作用后电子注能量台阶状的分布,为研制高回收效率的收集极奠定基础.提出了用最大可回收效率表示的目标函数来衡量电子注的可回收能力.与单纯以电子效率为目标的慢波结构优化相比,以电子注可回收能力最大化为目标的慢波结构优化,不仅能在工作频带内提高总效率,而且行波管的非线性指标没有明显降低,小信号增益却有较大的提高. 关键词： 空间行波管 可回收能力 慢波结构 优化设计     

220 GHz三级串联交错双栅慢波结构

提出了一种220 GHz三级串联的交错双栅行波管结构,针对影响整体传输性能的核心部件输入输出耦合器进行了详细分析,并以此为基础设计了串联交错双栅慢波结构。通过数值模拟分析,确定了一种由齿深渐变光栅和半圆同心弯头组成的新型输出输入耦合结构。整管粒子仿真结果显示慢波结构内部没有出现振荡现象,且在220 GHz达到了30 dB增益,3 dB带宽达到23 GHz,有效改善了该类串联结构由于多个电子注加载通道造成的行波管传输特性下降问题。     

Effect of Attenuator on BWO Start Oscillation Condition in a Helix Millimeter Wave TWT Under Magnetic Focusing

In a practical helix millimeter wave traveling-wave tube (TWT), there are always magnetic focusing system for constraining the electron beam as it passes through the interaction region and attenuator for suppressing the oscillations, including backward-wave oscillation (BWO) and improving the output power. In view of the attenuator and magnetic focusing system, a 2D linear theory is employed to analyze BWO start oscillation condition. Numerical results show that the start oscillation length of the millimeter wave TWT decreases when the start position of the attenuator is close to the input section of the slow wave structure (SWS), and that it increases with the decrease of the attenuation length or the increase of the attenuation quantity. Therefore, in order to predict the BWO accurately, we should take into the attenuator and magnetic focusing system account.     

螺旋线行波管返波自激振荡的研究

 在2维小信号模型的基础上，分析了均匀和周期永久聚焦磁场对抑制返波自激振荡的影响。研究结果表明：改变聚焦磁场的幅值或周期来增加起振长度是可能的， 而且不会改变基波的互作用条件。与此同时，对起振长度、初始非同步速度参量随皮尔斯增益参量、空间电荷参量、损耗参量等的变化，以及在超宽带行波管中当存在两个或多个角向非对称空间谐波时,起振长度、初始非同步速度参量随周期永久聚焦磁场的变化进行了研究。优化设计聚焦磁场、电子注和螺旋线慢波系统的参量可以对螺旋线行波管的稳定性分析提供必要的依据。     

Effect of attenuation on backward-wave oscillation start oscillation condition

In a practical helix traveling-wave tube (TWT), there is always attenuator/sever for suppressing the oscillations, including backward-wave oscillation (BWO). The factors of the influencing BWO include start position of the attenuator, its length, and attenuation quantity. In the event that the attenuator/sever and nonuniformities in the phase velocity and beam potential were considered, a linear theory is employed to analyze BWO start oscillation condition. Numerical results show that the start oscillation length of the TWT decreases when the start position of the attenuator is close to the input section of the slow wave structure (SWS), that Start oscillation current of the output section of the SWS increases as the attenuation length decreasing, or the attenuation quantity increasing or the nonuniformities becoming strong, and that, however, when the phase velocity or beam potential exceeds a particular value, no oscillation condition could be found.     

A staggered double vane circuit for a W-band traveling-wave tube amplifier

Based on the combination of a staggered double vane slow wave structure(SWS) and round electron beam,a 200-W W-band traveling-wave tube(TWT) amplifier is studied in this paper.The main advantages of round beam operation over the sheet beam is that the round beam can be formed more easily and the focus requirement can be dramatically reduced.It operates in the fundamental mode at the first spatial harmonic.The geometric parameters are optimized and a transition structure for the slow wave circuit is designed which can well match the signal that enters into and goes out from the tube.Then a TWT model is established and the particle-in-cell(PIC) simulation results show that the tube can provide over 200-W output power in a frequency range of 88 GHz-103 GHz with a maximum power of 289 W at 95 GHz,on the assumption that the input power is 0.1 W and the beam power is 5.155 kW.The corresponding conversion efficiency and gain at 95 GHz are expected to be 5.6% and 34.6 dB,respectively.Such amplifiers can potentially be used in high power microwave-power-modules(MPM) and for other portable applications.     

传输矩阵法在行波管内部反射引起的增益波动计算中的应用

本文分析了由于行波管慢波结构制造误差引入的多个不连续点对小信号增益的影响.行波管内部反射对增益波动的影响,须采用考虑反射波的四阶模型进行分析,用传输矩阵法对节点处的自左至右入射和自右至左入射两种散射类型建立传输矩阵,研究在不同空间电荷参量下,慢波电路的单个反射节点以及慢波电路的皮尔斯速度参量b和增益参量C的多个随机分布不连续性对行波管小信号增益的影响,计算结果与Chernin模型具有很好的一致性.并以G波段行波管为例分析了慢波结构周期长度分布有两个不连续点和周期长度的多个随机分布不连续性带来的小信号增益波动.结果表明,制造误差越大,周期长度分布的两个不连续点相距越远,小信号增益波动越大,多个小的不连续性可以引起较大的增益波动.