kW级功率驱动的锁相高功率微波发生器

针对kW级微波驱动的锁相GW高功率微波,设计了一个高增益(大于50 dB)四腔相对论速调管放大器(RKA)。模拟表明,在此条件下高次模振荡严重影响器件的锁相实现。由此,将RKA结构与正反馈振荡电路结合起来,建立相应的等效电路来研究这种高次模激励的物理过程(即高次模的激励与中间腔之间耦合强度的相关性)。在高次模振荡的等效电路(即正反馈振荡电路)中,用衰减电阻代替结构中的微波吸收层来研究高次模振荡的抑制机理,衰减电阻通过对反馈过程的控制,提高了电路的自激振荡起振电流。在结构上按照衰减电阻要求设计了微波吸收层,将高次模振荡的起振电流提高到大于器件的工作电流,实现了高增益(约60 dB)条件下高次模激励的抑制。模拟获得了4 kW微波功率驱动的2.3 GW锁相高功率微波,增益接近60 dB。在LTD加速器平台的实验结果表明:注入微波由固态RF种子源提供(功率10 kW),输出功率达到1.8 GW,增益为52.6 dB,90 ns内输入和输出微波的相对相位差小于±10°,实验上实现了kW级注入微波对GW高功率微波的相位锁定。     

S波段四腔相对论速调管放大器的整管性能

在速调管放大器中,中间谐振腔一方面可以提高器件的放大增益,另一方面也容易产生杂频振荡,影响器件正常工作。针对这种杂频振荡的影响,在三腔相对论速调管的基础上发展了四腔相对论速调管。采用PIC粒子模拟软件从整管上对四腔强流相对论速调管放大器的冷腔结构、束波互作用、微波提取等方面进行研究。为得到输出功率和效率的最优值,结构上采用低互作用输入腔,设计了阶梯状结构漂移管,通过对输出腔作用间歇进行优化处理抑制电子回流。模拟结果表明整管微波模拟输出功率达了3.7 GW,效率22%,增益56 dB,1 dB带宽74 MHz,并实现了对杂频振荡的抑制。     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求,设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器,建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构,降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式;设计采用多腔多间隙群聚结构,降低了输入微波功率的需求,提高了器件放大增益;并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构,提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计,粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW,器件放大增益约为60 dB,功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV,电流5.1 kA的情况下,输出功率为0.99 GW,放大增益约为53 dB,转换效率约为35%。     

新型径向三腔同轴虚阴极振荡器的模拟研究

 提出了一种新型的径向三腔同轴虚阴极振荡器,并对其进行了理论分析和数值模拟。这种虚阴极振荡器采用径向三腔结构,通过改变束-波互作用区的电场分布来提高电子束与TM₀₁模式的耦合效率,并通过采用准谐振腔的结构来进一步抑制模式竞争以获得较高的输出微波增益。同时采用能量同轴提取的方式进一步提高器件的功率和效率。粒子模拟结果表明,在二极管电压400 kV,束流50 kA的条件下,径向三腔同轴虚阴极振荡器在4.14 GHz处获得了平均功率约2.45 GW的微波输出,功率转换效率达到12％。输出微波模式纯度较高,频谱非常窄。     

X波段三重轴相对论速调管放大器的设计

分析了同轴腔体间隙束流与电场的相互作用,推导了同轴腔体间隙的耦合系数和电子负载电导,并设计了10⁴ W级注入微波驱动的X波段三重轴相对论速调管放大器,产生了GW级的微波功率输出.通过三维粒子模拟,设计了工作频率为9.37 GHz的三重轴相对论速调管放大器,在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA的条件下,获得的输出微波功率达到1.1 GW,效率为37%,增益为42 dB. 关键词： 同轴腔体 束波互作用 X波段 三重轴相对论速调管放大器     

Ka波段带状注相对论速调管模拟研究

利用三维电磁场与粒子模拟软件对Ka波段带状注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定了腔体的冷腔高频特性,采用三维粒子模拟软件(PIC)模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明:在带状电子注电压500kV、束流1kA、宽高比40∶1,注入微波功率1.94kW和均匀聚焦磁场0.8T的条件下,获得的输出微波功率达到142MW,频率40GHz,效率28.4%,增益约48.6dB。     

基于离轴高增益速调管的X波段高功率合成技术研究

为了克服强流高增益速调管放大器中的自激振荡和适应低阻抗脉冲功率源发展的需要,利用高阻抗X波段五腔高增益速调管放大器进行了离轴八注八管高增益速调管功率合成技术研究,在频率为9.47 GHz、模拟输出功率为284 MW、增益为51.6 d B和效率为35.5%条件下,该器件整管微波输出稳定.在三维模型中,在离轴54 mm条件下该器件的微波输出特性稳定.基于实验室现有4.5 T(长1.1 m,室温孔径为150 mm)超导磁体,进行了八注八管高增益速调管的整管模拟,每个器件实现284 MW的微波输出.最后,为实现GW级功率输出,利用HFSS软件设计了用于离轴八注八管高增益速调管功率合成的八合一功率合成器,将该合成器同八注八管高增益速调管结合,模拟得到功率为1.84 GW、增益为50.7 d B、效率为28.8%的微波输出.     

强流相对论环形电子束自调制振荡研究

 主要研究了强流相对论环形电子束在等位谐振腔内的非线性自调制振荡，用小信号理论分析了电子起振的条件，得出了电子起振的扰动频率。基于该理论分析，又提出了一种不外加磁场的新型高功率微波器件，该器件主要由一个圆柱谐振腔和一个同轴波导输出腔构成。用2.5维MAGIC粒子模拟软件对该非线性过程进行数值模拟，分析了输入电压、电流对输出微波功率的影响。模拟结果表明这种结构中确实存在非线性不稳定性，自调制的扰动频率则由电子束的初始能量、电荷密度和电子束的半径以及谐振腔的空间结构给定。利用谐振腔长为4.7 cm、二极管电压为2.8 MV、电流为20 kA的电子束，可以得到频率为4.29 GHz、功率为6 GW的微波输出，束-波转换效率约为11%。     

X波段长脉冲同轴多注相对论速调管放大器的分析与设计

为了提高相对论速调管放大器的工作频率、输出功率以及转换效率, 结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点, 采用三维电磁粒子模拟软件分析与设计了工作在X波段的长脉冲同轴多注相对论速调管放大器, 通过优化设计有效地抑制了X波段长脉冲相对论速调管放大器的自激振荡, 避免了脉冲缩短现象的产生, 使X波段相对论速调管放大器在长脉冲状态下能够稳定工作, 在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA、轴向引导磁感应强度为0.8 T的条件下, 输出微波功率达到了1.23 GW, 效率为41%, 增益为42 dB.     

多腔虚阴极振荡器研究

 提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,功率效率大于10％的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700 MW,频率约4.1 GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。     

低功率驱动的高功率微波放大器实验研究

在器件设计上,针对低功率驱动的高功率微波放大器或高增益放大器中的高次模激励和自激振荡问题,采取了降低电子束同器件前端结构耦合等措施,来保证器件在工作区间完全处于放大状态,通过PIC模拟,设计了低功率驱动的S波段高功率微波放大器(电子束:流强7.5 kA,电子能量750 kV),注入微波6.8 kW时,模拟微波输出功率1.7 GW,增益53.9 dB.在Sinus加速器平台上开展了相应的实验研究: 注入微波62 kW时,微波输出功率达到2.04 GW(电子束:流强8 kA,电子能量800 kV), 输出频率 关键词： 高功率微波 微波器件 高增益 模式控制     

并行多注THz折叠波导行波管的理论分析与数值模拟

为了提高THz行波管的输出功率,通过并行多注和功率合成的方法,完成了并行多注D波段折叠波导行波管的理论分析与数值模拟。计算结果表明:单束行波管在0.135～0.157THz频率区间具有很好的色散平坦度,3dB带宽为13GHz,0.14THz处获得了20.88dB的最大增益;多束合成行波管在0.14THz处获得了20.8dB的合成增益,3dB带宽区间合成效率不低于92%。数值模拟表明该方法很好地实现了多路放大信号的合成输出。并行多注行波管具有输出功率大、单束电流小、聚焦磁场低等优点,能够在低发射电流密度条件下实现大功率THz辐射。     

X波段高功率微波一维相扫漏波天线阵

研究了一种可一维相扫的X波段高功率微波漏波天线阵,该天线阵由高功率微波功分网络、移相器和漏波平面阵组成。漏波平面阵由8个矩波导漏波线阵组成,增益29.6dB,口面效率70%,设计功率容量0.91GW;功分器网络采用圆波导TM01-双矩波导TE01模式变换和串列式矩波导功分器形式,输出端口间的不平衡度小于1.6dB,设计功率容量1.1GW;移相器采用侧壁簧片弯进改变矩波导宽度,实现0~360°移相,单路功率容量150MW。整阵相扫性能的全波仿真分析结果表明,在主瓣增益下降3dB的情况下,扫描角度可达到±40°。     

X波段长脉冲多注相对论速调管放大器杂模振荡抑制北大核心CSCD

为进一步提高相对论速调管放大器(RKA)的工作频率和输出功率,开展了X波段GW级长脉冲多注RKA实验研究,对实验中出现的杂模振荡现象进行了模拟和实验分析。结果表明,电子回流是导致实验中出现杂模振荡的主要因素,采取了相应措施减少电子回流从而抑制杂模振荡,实现多注RKA输出微波功率约为0.98GW,脉宽为95ns,频率为9.405GHz。     

0.14THz基模多注折叠波导行波管的理论与模拟研究

为解决THz行波管工作电流过小、输出功率低等问题,提出了基模多注工作模式的折叠波导行波管.首先,获得了基模多注折叠波导色散特性的等效传输线计算模型,并与数值模拟结果进行了比较;然后,对基模多注折叠波导的传输特性进行了模拟计算;最后,通过模拟和理论计算完成了0.14 THz基模多注折叠波导行波管的注波互作用特性分析.电子注参数为12 m A,15.75 k V时,获得的3 d B带宽为25 GHz(128—153 GHz),最大增益为33.61 d B,最大峰值功率为23 W;电子注参数为30 m A,15.75 k V时,在0.14 THz处获得了38 d B增益,最大脉冲输出功率为63.1 W.对比同条件下基模单注折叠波导行波管,3 d B带宽提升了1倍,0.14 THz处输出功率增大了9.66倍,互作用效率增大了3.22倍;当增益相同时,多注方式的互作用长度较单注缩短了33%.该方法能够有效增大THz行波管的工作电流,提高互作用增益及效率、3 d B带宽、输出功率;在增益相同时,基模多注行波管可以做得更短更紧凑.     

分布损耗加载回旋行波管多模稳态注波互作用理论与比较证实

基于目前国际上实验研究的均匀介质加载和周期介质加载结构,建立了一种分布式损耗加载回旋行波管(gyro-TWT)多模稳态注波互作用理论.利用这一理论,以TE01模式基波gyro-TWT注波互作用为例,将Ka和W波段的理论结果与实验和软件仿真进行比较,以证实理论的合理性.     

High efficiency, phase-locked operation of the harmonic-multiplyinginverted gyrotwystron oscillator

The inverted gyrotwystron (phigtron) is a millimeter wave frequency-doubling amplifier that has been demonstrated to produce over 300 kW peak power at twice the input frequency (centered at f_in =16.85 GHz and f_out=33.7 GHz) over a 0.5% bandwidth with a saturated gain of 30 dB and efficiency greater than 35%. The device has also been studied both theoretically and experimentally in a different operating regime where frequency-doubled, phase-locked oscillation is possible. A signal, injected via a fundamental gyro-traveling wave tube input section, modulated a 55 kV, 10 A electron beam. After transit through a drift section, the prebunched electron beam produced phase-locked, second harmonic oscillations in a TE₀₃ mode output cavity. RF output centered at either of two frequencies, 34.42 and 34.62 GHz, with a maximum output power of 180 kW, an efficiency of 32% and a locked signal gain of 35 dB was measured. A theoretical prediction of locking bandwidth, a design overview, and the experimental results are presented followed by a summary and discussion of the results