双阶梯阴极型磁绝缘线振荡器设计与模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器（MILO）和渐变型MILO的特点,提出了一种新型双阶梯阴极型MILO。该器件前2个叶片为扼流片，中间3个叶片为主作用叶片,后面1个为提取叶片，在电流发射区与慢波结构径向相对的阴极部分分为3段，形成双阶梯阴极结构。根据Maxwell方程和Floquet定理导出其色散方程，并对其振荡主频作了理论分析。2.5维粒子模拟表明，器件工作频率为1.21 GHz，与理论预测相符，双阶梯的引入，对器件阻抗和振荡频率影响较小。在工作电压458 kV、电流40.5 kA条件下，双阶梯阴极结构将MILO输出功率从2.20 GW提高到2.88 GW，功率转换效率从12.0%提高到15.5%。     

双阶梯阴极型磁绝缘线振荡器设计与模拟

结合负载限制型磁绝缘线振荡器（MILO）和渐变型MILO的特点,提出了一种新型双阶梯阴极型MILO。该器件前2个叶片为扼流片,中间3个叶片为主作用叶片,后面1个为提取叶片,在电流发射区与慢波结构径向相对的阴极部分分为3段,形成双阶梯阴极结构。根据Maxwell方程和Floquet定理导出其色散方程,并对其振荡主频作了理论分析。2.5维粒子模拟表明,器件工作频率为1.21 GHz,与理论预测相符,双阶梯的引入,对器件阻抗和振荡频率影响较小。在工作电压458 kV、电流40.5 kA条件下,双阶梯阴极结构将MILO输出功率从2.20 GW提高到2.88 GW,功率转换效率从12.0%提高到15.5%。     

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器（MILO）进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6 kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。     

L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器的粒子模拟与实验研究

对L波段双阶梯阴极磁绝缘线振荡器(MILO)进行了粒子模拟,在输入电压710 kV,电流56.6kA条件下,得到微波输出功率为4.8 GW,微波频率1.22 GHz。根据模拟结果设计MILO实验装置并开展实验研究,介绍了测试方法与测试系统,并对辐射微波功率、频率和模式进行了测量。在二极管电压740 kV,电流61 kA条件下,测得辐射微波功率为3.57 GW,微波脉宽46 ns,微波频率1.23 GHz,功率转换效率8%,辐射微波模式为TM01模。     

高电压运行的高效率磁绝缘线振荡器设计

为追求更高的输出功率和效率,在理论分析的基础上,采用理论和PIC数值模拟相结合的方法设计了较高工作点电压（700 kV）的磁绝缘线振荡器模型,数值模拟结果表明:当输入电压为695 kV、输入功率为55.7 GW时,输出周期平均功率为11.2 GW,效率为20.1%;与以往低工作点的磁绝缘线振荡器相比, 效率较高,且和低工作点的器件只在最佳工作点处取得最大效率不同,本器件随着电压升高,效率进一步提高。     

高电压运行的高效率磁绝缘线振荡器设计

为追求更高的输出功率和效率,在理论分析的基础上,采用理论和PIC数值模拟相结合的方法设计了较高工作点电压（700 kV）的磁绝缘线振荡器模型,数值模拟结果表明：当输入电压为695 kV、输入功率为55.7 GW时,输出周期平均功率为11.2 GW,效率为20.1%;与以往低工作点的磁绝缘线振荡器相比, 效率较高,且和低工作点的器件只在最佳工作点处取得最大效率不同,本器件随着电压升高,效率进一步提高。     

双频磁绝缘线振荡器微波产生特性的数值研究

利用数值模拟的方法,研究了角向分区比例分别为1∶1,1∶2,1∶3,2∶1和2∶2的双频磁绝缘线振荡器（MILO）的微波产生特性,得到了“热腔”条件下的微波电场分布,电子的相空间图,输出微波的总功率,以及微波频率随角向的分布变化等特性。为了比较,还给出了对应于双频MILO的谐振腔深度的两种常规的角向均匀的单频MILO的模拟结果。研究揭示了双频MILO内束 波互作用分区分别工作的规律,提高了对双频MILO产生双频率高功率微波的机理的认识,为双频MILO的双频辐射技术和双频微波测试技术提供了依据。     

双频磁绝缘线振荡器微波产生特性的数值研究

 利用数值模拟的方法,研究了角向分区比例分别为1∶1,1∶2,1∶3,2∶1和2∶2的双频磁绝缘线振荡器（MILO）的微波产生特性,得到了“热腔”条件下的微波电场分布,电子的相空间图,输出微波的总功率,以及微波频率随角向的分布变化等特性。为了比较,还给出了对应于双频MILO的谐振腔深度的两种常规的角向均匀的单频MILO的模拟结果。研究揭示了双频MILO内束 波互作用分区分别工作的规律,提高了对双频MILO产生双频率高功率微波的机理的认识,为双频MILO的双频辐射技术和双频微波测试技术提供了依据。     

双频磁绝缘线振荡器的高频特性

建立了基于谐振腔深度角向分区的L波段双频磁绝缘线振荡器的模型,并采用数值研究的方法,开展了双频磁绝缘线振荡器主慢波结构的色散特性分析,同时还研究了封闭结构和开放结构的双频磁绝缘线振荡器的谐振腔,得到其谐振频率、场分布、Q值等信息,从高频特性研究的角度来进一步验证了双频磁绝缘线振荡器产生稳定的双频率高功率微波的可行性。研究表明：双频磁绝缘线振荡器的高频结构可以分区工作,每一个分区对应一个谐振频率。     

C波段磁绝缘线振荡器的理论设计与实验

通过理论分析与计算,设计加工了一个C波段磁绝缘线振荡器（MILO）,并进行了实验研究。在二极管电压为437～464 kV、二极管电流为36～39 kA的条件下,从实验上获得了功率为1.60～1.68 GW、频率为3.60～3.66 GHz、脉宽为33～38 ns的TEM模高功率微波辐射,功率转换效率大于9%。     

磁绝缘线振荡器脉宽及效率与三角波电压关系

采用数值模拟与实验相结合的方法,在没有功率容量不足问题的情况下,研究了磁绝缘线振荡器（MILO）的输出微波脉宽和功率效率与类似三角形二极管电压的关系,研究结果表明：在相同宽度的电压条件下,随着电压幅度的增大,输出微波的底宽和半高宽相应增大,功率效率先增大,当达到饱和后功率效率逐渐降低;在相同电压幅度条件下,随着二极管电压上升沿（斜率不变）的增大,输出微波的半高宽略有增大,但功率效率略有降低。因此,在有限脉宽的类似三角形二极管电压条件下,通过增大二极管电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波脉宽;而在有限电压幅度条件下,通过减小电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波的功率。选择适当的二极管电压参数,可以解决MILO器件在类似三角形二极管电压条件下的输出微波功率和脉宽两个指标相匹配的问题。     

磁绝缘线振荡器脉宽及效率与三角波电压关系

采用数值模拟与实验相结合的方法,在没有功率容量不足问题的情况下,研究了磁绝缘线振荡器(MILO)的输出微波脉宽和功率效率与类似三角形二极管电压的关系,研究结果表明:在相同宽度的电压条件下,随着电压幅度的增大,输出微波的底宽和半高宽相应增大,功率效率先增大,当达到饱和后功率效率逐渐降低;在相同电压幅度条件下,随着二极管电压上升沿(斜率不变)的增大,输出微波的半高宽略有增大,但功率效率略有降低。因此,在有限脉宽的类似三角形二极管电压条件下,通过增大二极管电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波脉宽;而在有限电压幅度条件下,通过减小电压上升沿的方法,可以有效地增大输出微波的功率。选择适当的二极管电压参数,可以解决MILO器件在类似三角形二极管电压条件下的输出微波功率和脉宽两个指标相匹配的问题。     

L波段磁绝缘线振荡器一体化辐射天线

根据小型化的要求,提出了可以用于小型化L波段磁绝缘线振荡器的一体化辐射天线的模型,即介质+插板移相型模式变换器,该模型可以有效缩短模式变换器的物理长度,并基于该模型研究了一体化辐射天线的方向图、增益、物理长度等特性,初步优化设计了一体化辐射天线,为结构紧凑的小型化磁绝缘线振荡器的研究提供了方便。     

双频磁绝缘线振荡器二维周期结构研究

推导了双频磁绝缘线振荡器（BFMILO）慢波结构的本征方程,并研究了其色散特性和场分布.通过研究发现,通过引入角向分区,使BFMILO慢波结构表现出二维周期性的特点,在该慢波结构中,不同电磁模式集中在角向不同区域,传统磁绝缘线振荡器（MILO）中呈现竞争关系的两个不同电磁模式可以同时独立稳定地参与束-波换能,从而产生双频输出.该分析方法可以适用于多频磁绝缘线振荡器的研究. 关键词： 磁绝缘线振荡器 高频特性 双频 高功率微波     

平面磁绝缘线振荡器的作用机理及模拟设计

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题,提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件,通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流,辅助实现器件的磁绝缘,从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟,建立一个外加低磁场的C波段平面MILO,并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线,确定微波器件工作点,利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下,模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出,通过优化外加磁场,使得模拟微波输出功率达到1.22 GW,功率效率在C波段条件下超过30%。     

S波段锥形磁绝缘线振荡器频率特性

对一种由弱变和强变结构组成的锥形磁绝缘线振荡器的频率特性进行了分析。通过对实验中出现的跳频现象和腔体特性分析对比研究表明,跳频后出现的新的工作模式也属于近π模,但其场结构和稳定π模的场结构明显不同。通过改变提取部分慢波叶片周期开展的验证性实验也表明了分析的正确性。研究表明,匹配的驱动平台、良好的二极管真空度以及合适的二极管位置是锥形磁绝缘线振荡器能够稳定运行的保证。     

L波段硬管磁绝缘线振荡器的研制

对L波段磁绝缘线振荡器(MILO)的二极管进行了研究,优化了器件的设计,以及辐射天线一体化的设计,研制出了L波段硬管 MILO。硬管MILO的实验结果是：在电压为450 kV、电流为35 kA的条件下,L波段硬管 MILO的输出微波频率为1.22 GHz,功率大于1.5 GW,微波脉宽半高宽约20 ns,功率效率约10%;硬管MILO的保真空时间超过了5 h。     

磁绝缘线振荡器的自动优化设计

为克服全电磁粒子模拟(PIC)程序不利于优化设计的弱点,提高高功率微波器件的优化设计水平,将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合,研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件——两个波段的磁绝缘线振荡器(MILO):C-MILO和L-MILO进行优化设计。在输入功率不变的条件下,原C-MILO效率为10.8%,经优化后效率为15.4%;原L-MILO效率为12.6%,经优化后效率为17.7%。由此得出,两类MILO模型经优化后在输入功率基本不变的情况下输出功率和效率都有很大程度的提高,且模型几何参数合理,物理图像正确。     

磁绝缘线振荡器的自动优化设计

为克服全电磁粒子模拟(PIC)程序不利于优化设计的弱点, 提高高功率微波器件的优化设计水平, 将遗传算法与全电磁粒子模拟算法有机融合, 研制出二维全电磁粒子模拟并行优化程序。据此对高功率微波源器件两个波段的磁绝缘线振荡器（MILO）：C-MILO和L-MILO进行优化设计。在输入功率不变的条件下, 原C-MILO效率为10.8%, 经优化后效率为15.4%; 原L-MILO效率为12.6%, 经优化后效率为17.7%。由此得出, 两类MILO模型经优化后在输入功率基本不变的情况下输出功率和效率都有很大程度的提高, 且模型几何参数合理, 物理图像正确。