螺旋线行波管注波互作用时域理论

研究了螺旋线行波管中电子注与高频场互作用的时域理论.电子对场的作用由高频场方程和空间电荷场方程模拟,场对电子注的作用由运动方程模拟.在螺旋导电面模型下利用安培环路定理和法拉第电磁感应定律得到了时域高频场方程.利用空间电荷波模型处理空间电荷场,得到了空间电荷场方程.将高频场和空间电荷场代入洛伦兹力方程,得到了运动方程.利用耦合阻抗处理高频场方程的激励源,使得高频场方程的求解能够借助诸如HFSS或HFCS等高频模拟软件来实现,增强了时域理论的灵活性.基于上述理论,编写软件数值模拟某螺旋线行波管,验证了时域理论的可行性.     

螺旋线行波管三维多频非线性理论分析和数值模拟

建立了螺旋线三维多频非线性互作用模型.通过场论的方法建立线路场方程,结合粒子模拟（PIC）方法和谐波展开法,建立三维空间电荷场模型.模拟了8—18GHz宽带行波管的基波和高次谐波,计算了AM-AM幅度失真和AM-PM相位失真,三次交调和五次交调分量.通过频率扫描得到的8—18GHz饱和输出功率和饱和增益,结果与热测结果接近,且饱和输出功率误差在1dB以内. 关键词： 注波互作用 三维 非线性 螺旋线行波管     

螺旋线行波管1维多频非线性理论与模拟

 采用CHRISTINE报告中的1维多信号非线性互作用模型，在其场方程、相位方程和含空间电荷场的运动方程的表达式基础上，增加了切断区域的工作方程组，并考虑了电位下沉带来的影响。基于此非线性互作用工作方程组编写了数值计算程序。为了便于对行波管互作用进行模拟设计时选择最佳工作电压和输入功率，在程序中加入了扫描电压和输入功率的功能。对某行波管注波互作用过程进行了模拟，并分析了谐波和互调的影响。由于计算速度快,模拟结果较好，对螺旋线行波管的初步设计和验证具有较强的指导意义。     

不同频率高功率微波辐照下PCB电路的混合模拟

采用一个混合模拟方法研究计算了不同频率高功率微波(HPM)辐照下含有PIN限幅器的PCB电路上的耦合信号。该混合模拟方法基于瞬态电磁拓扑和器件/电路混合模拟技术,实现了场、路、器件的混合模拟,能够模拟计算出HPM辐照下屏蔽腔内PCB电路上的耦合信号。用该方法研究计算了频率分别为1,1.25和2.5 GHz的HPM在PCB电路上的耦合信号。计算结果表明:当PCB电路无屏蔽腔时,1 GHz HPM的耦合信号最大,而PCB电路有屏蔽腔时,2.5 GHz HPM的耦合信号最大;PIN限幅器在耦合信号较大时具有较好的抑制作用。     

S波段宽带大功率连续波耦合腔行波管3维模拟设计

 使用3维PIC粒子模拟软件定量分析了耦合腔行波管的大信号注波互作用行为。使用完整的仿真模型完成了S波段连续波管型的设计，达到如下设计指标：工作频率2.0~2.3 GHz，输出功率4.3 kW，频带内增益波动±0.7 dB。提出了使用大介电常数微扰介质棒减小耦合阻抗计算误差的方法，研究了行波管的冷腔特性，给出了色散、耦合阻抗等参数。     

X波段大功率耦合腔行波管3维粒子模拟

 为提高行波管的增益和输出波形的稳定性,开展了带高频切断X波段大功率耦合腔行波管的研究工作。以点频7.2 GHz为例,对X波段耦合腔行波管的大信号注波互作用过程进行了3维粒子模拟,该行波管包含一处高频切断及两处微波集中衰减器。数值模拟结果表明：行波管腔数为40、电子束电压为17 kV、电流为0.8 A时,可获得2.0 kW的微波输出功率,增益达23 dB,电子效率达14.7%。     

腔体内传输线耦合的电磁仿真软件与传输线方程的混合算法

研究了一种有限积分法软件与传输线方程相结合的混合算法,用于解决复杂电磁环境下屏蔽腔体内传输线的电磁耦合问题。利用有限积分法软件实现屏蔽腔体的建模,仿真得到腔体内部空间电磁场分布,并设置电场探针提取出传输线的激励场。利用传输线方程建立腔体内传输线的耦合模型,将得到的传输线激励场引入到传输线方程作为等效分布电压和电流源。利用时域有限差分(FDTD)格式对传输线方程进行离散,从而迭代求解出传输线终端负载上的电压和电流响应。通过与文献以及传统数值算法的计算结果进行对比,验证混合算法的正确性。研究表明,该混合算法在模拟电大尺寸腔体内传输线的电磁耦合方面,具有较高的精度和计算效率。     

等离子体-腔混合模耦合腔行波管非线性注-波互作用分析

 用模式展开的方法分析了等离子体-腔混合模耦合腔行波管的非线性注-波互作用过程，导出了其考虑相对论效应的非线性注-波互作用自洽工作方程组。用格林函数法求解各向异性背景等离子体（介电常数张量）下的空间电荷场。编写了计算机模拟软件，用来分析等离子体-腔混合模耦合腔行波管的增益、效率、输出功率、瞬时带宽等重要的非线性特性，计算结果表明：工作在等离子体-腔混合模式下的耦合腔行波管，瞬时带宽达到20%~30%，效率达到50%以上。     

0.22THz宽带折叠波导行波管设计与实验

为了获得0.22THz宽带折叠波导行波管,对行波管的慢波结构和输入输出窗结构进行了宽带设计。通过理论分析和电磁仿真计算出合适的参数,使慢波结构在0.22THz工作点附近的色散曲线平坦,耦合阻抗变化小,模拟计算得到的慢波结构3dB带宽大于16GHz;通过对盒型窗结构及匹配段的优化计算,得到的输入输出结构在大于30GHz范围内S11参数小于-25dB。根据该设计进行了两轮制管和实验研究,得到了一支3dB瞬时带宽约8.8GHz,另一支3dB瞬时带宽大于12GHz的0.22THz折叠波导行波管,中心频率的峰值功率大于400mW。     

耦合腔慢波结构冷测特性的计算方法

 对几种用3维MAFIA仿真软件以及利用其准周期边界条件和后处理模块计算耦合腔行波管慢波结构的色散和耦合阻抗等冷测特性的方法进行了讨论,另外还对两种阻抗＿总阻抗和Pierce耦合阻抗的定义进行了充分讨论。考虑到休斯结构耦合腔行波管的电子是与耦合腔慢波结构的负一次谐波发生作用和耦合阻抗应该是电子注截面上的平均值等,指出总阻抗和Pierce耦合阻抗之间相差一个因子,考虑了这个修正因子之后,其结果将更接近实际情况。用这些方法计算耦合腔行波管的冷测特性,得到了与实验冷测值十分接近的结果。     

扩展互作用振荡器非线性理论与模拟

为了对扩展互作用振荡器(EIO)进行更为高效研究与设计,提出了一种非线性理论与数值模拟相结合的方法对其进行分析,编制了基于一维电子圆盘模型的数值计算程序,并结合MAGIC模拟结果对其准确性进行了讨论。非线性模拟中,35GHz EIO输出功率为125W,频率为35.01GHz,对应的MAGIC模拟结果分别为100W,35.11GHz;110GHz EIO输出功率为220W,频率为107.9GHz,对应的MAGIC模拟结果分别为190W,107.93GHz。非线性方法使得模拟速度有了很大的提高,单次计算时间小于5min,并且所得数据与传统软件模拟得到的特性曲线相比变化趋势一致、数值上也较为接近。     

基于ITO/聚甲基丙烯酸甲酯/Al的有机阻变存储器SPICE仿真

探索了ITO/PMMA/Al器件的阻变机理及其SPICE电路仿真, 通过优化聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)层退火温度, 器件可实现连续擦-读-写-读操作. 基于不同退火温度PMMA薄膜的表面形貌研究, 构建了单层有机阻变器件的非线性电荷漂移模型, 以及描述该模型掺杂区界面移动的状态方程, 并通过反馈控制积分器建立了SPICE仿真电路. 最后, 代入器件实际测量参数, 得到与器件实际结果基本一致的电流-电压模拟曲线. 结果验证了单层有机器件的阻变机理, 说明该非线性电荷漂移模型的SPICE仿真在有机阻变器件仿真中同样适用. 关键词： 有机阻变存储器 非线性电荷漂移 SPICE仿真     

Theoretical models for designing a 220-GHz folded waveguide backward wave oscillator

In this paper,the basic equations of beam-wave interaction for designing the 220 GHz folded waveguide(FW)backward wave oscillator(BWO) are described.On the whole,these equations are mainly classified into small signal model(SSM),large signal model(LSM),and simplified small signal model(SSSM).Using these linear and nonlinear one-dimensional(1D) models,the oscillation characteristics of the FW BWO of a given configuration of slow wave structure(SWS) can be calculated by numerical iteration algorithm,which is more time efficient than three-dimensional(3D)particle-in-cell(PIC) simulation.The SSSM expressed by analytical formulas is innovatively derived for determining the initial values of the FW SWS conveniently.The dispersion characteristics of the FW are obtained by equivalent circuit analysis.The space charge effect,the end reflection effect,the lossy wall effect,and the relativistic effect are all considered in our models to offer more accurate results.The design process of the FW BWO tube with output power of watt scale in a frequency range between 215 GHz and 225 GHz based on these 1D models is demonstrated.The 3D PIC method is adopted to verify the theoretical design results,which shows that they are in good agreement with each other.     

X波段脉冲压缩装置的数值模拟及优化设计

 利用有限元方法，通过调节X波段脉冲压缩装置的腔体长度、输入膜片宽度、输出耦合口位置等参量，研究了这些参量对谐振频率和品质因数的影响关系。研究表明：通过微调腔体长度并优化结构参数，可以将该装置的工作频率限制在规定的范围内；输入膜片缝隙由宽变窄的过程中，驻波比由大变小，达到临界耦合后，驻波比又由小变大，且谐振频率略有升高；品质因数与H-T分支的T形输出口的微波泄露密切相关，而该输出口泄露的大小随短路面到H-T分支中线的距离周期性变化。模拟得到的膜片距输出口中线长度为1 133.75 mm，分支中线到短路面的长度为95.25 mm，输入膜片宽9 mm，本征频率为9.387 2 GHz，输入耦合系数为1.15，品质因数为8 000。根据数值模拟结果，优化设计了一套脉冲压缩装置，实测得到的工作频率为9.388 4 GHz，输入耦合系数为1.03，品质因数为5 500。由于该装置输出口微波泄露较大，因此实测的品质因数比模拟的要小一些，这一点可以通过改进终端滑动短路面的调节方式来改善。     

耦合腔链等效电路模型计算加速管场分布

介绍利用耦合腔链等效电路模型计算加速管场分布的原理和方法. 把加速腔链等效为谐振电路, 通过求解回路方程组, 并引入分流阻抗等物理参数, 可计算加速腔链整管的电磁场幅值和相位分布. 这一计算方法对加速管动力学设计和加速管几何参数设计有很好的指导意义, 并在16MeV返波加速管设计调试过程中得到了应用和验证.     

Millimeter Wave Gunn Diode Oscillator Design Based on FDTD Method*

In this paper, a millimeter wave Gunn diode oscillator is analyzed and designed by the finite-difference time-domain (FDTD) method. The design results indicate that the oscillator has an oscillation frequency of 45.0GHz and a higher oscillation voltage. Based on the circuit equations and an integral transform, an improved matrix method is utilized for the oscillator design. This method is also extended to model the hybrid network which is constructed by the high order linear elements and the nonlinear elements with arbitrary connections. The experience shows that the improved FDTD method is stable with the time step length Δt based on the Courant condition. *This work was supported by the National Natural Science Foundation of China.     

Theoretical investigation of an electron beam propagating through a wide gap cavity

This paper presents a self-consistent nonlinear theory of the current and energy modulations when an electron beam propagates through an inductively-loaded wide gap cavity. The integro-differential equations axe obtained to describe the modulation of the beam current and kinetic energy. A relativistic klystron amplifier （RKA） model is introduced, which uses an inductively-loaded wide gap cavity as an input cavity. And a numerical code is developed for the extended model based on the equations, from which some relations about the modulated current and modulated energy are numerically given.     

70 GHz二次谐波倍频回旋速调管研究

 对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究。研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化，解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题。分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响。针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低，进行了高频结构优化设计，显著地展宽了工作频带，提高了互作用效率。在理论分析和高频计算的基础上，建立了注-波互作用PIC（粒子模拟）模型，进行了粒子模拟计算和优化，得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟结果表明：在工作电压70 kV，注电流13 A，电子注横向速度与纵向速度比为1.5时，中心频率69.81 GHz输出功率256 kW，带宽160 MHz，电子效率28%，饱和增益大于44 dB。     

“神龙二号”直线感应加速器加速腔电路模拟

针对神龙二号直线感应加速器所采用的非晶磁芯感应加速腔，建立了能够兼顾结构参数和磁芯性能的加速腔电路模型。对与加速腔结构相关的各集总电容参数进行了计算，并通过模拟波形与实验电压电流波形的对比，确定了加速腔磁芯模块的参数设定，实现了对非晶磁芯感应加速腔脉冲励磁过程较为准确的模拟。通过电路模拟，可以得到脉冲励磁时加速腔各部分的电压电流分布，为加速腔的结构优化和故障原因分析提供了有效的手段。     

Ka波段分布作用速调管多间隙谐振腔研究

谐振腔作为速调管的高频互作用电路,其特性对速调管的功率、效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。主要介绍了某Ka波段分布作用速调管谐振腔的设计过程:基于多间隙谐振腔理论,利用电磁仿真软件CST详细分析了谐振腔不同结构尺寸对特性参数,如品质因子、特性阻抗、耦合系数、有效特性阻抗的影响,优化得到谐振频率为35 GHz的五间隙谐振腔的物理结构模型,并给出互作用仿真结果,为Ka波段分布作用速调管设计及其高频注波互作用的计算提供重要的参考和依据。