圆柱开槽波导FEM放大器数值研究

以圆柱开槽波导、螺旋摇摆器为模型,考虑了电子初始速度零散、引导磁场等效应对放大器饱和特性的影响,导出了自洽的注波互作用三维非线性方程组.并在此基础上编制了相应的计算软件,通过数值分析的方法研究了圆柱开槽波导自由电子激光放大器的饱和效率、频带宽度等高频特性.     

毫米波圆柱波导自由电子激光放大器的数值模拟

本文以单粒子理论为基础，在不计空间电荷效应的近似条件下推导了带轴向引导磁场的三维圆柱波导非线性模拟方程组。用CAGFEL程序计算、分析了在带入口区、常数摇摆器条件下两组不同物理参数的自由电子激光放大器的物理模型。计算结果可靠，物理图象合理。对于其中的第二组参数还着重考查了光波频率、输入功率和摇摆器场振幅改变对输出功率和效率的影响。上述这些计算结果对0．7MeV 自由电子激光放大器的设计和实验具有一定的参考价值。     

高次谐波开槽回旋行波放大管自洽非线性数值模拟

:在未考虑电子注速度零散、引导中心零散以及波导壁损耗的情况下,采用四阶龙格库塔法,对均匀截面开槽高次回旋行波放大管注波互作用进行了数值计算,得出一些重要的互作用规律。电子注绕轴作大回旋运动。在π模式、四次谐波、35.05GHz、58kV、8A、v⊥/v∥＝1.5的情况下,饱和效率达到24.4%,增益为34dB,峰值功率为113.2kW,饱和带宽为4%。     

高次谐波开槽回旋行波放大管自洽非线性数值模拟

 :在未考虑电子注速度零散、引导中心零散以及波导壁损耗的情况下,采用四阶龙格库塔法,对均匀截面开槽高次回旋行波放大管注波互作用进行了数值计算,得出一些重要的互作用规律。电子注绕轴作大回旋运动。在π模式、四次谐波、35.05GHz、58kV、8A、v⊥/v∥＝1.5的情况下,饱和效率达到24.4%,增益为34dB,峰值功率为113.2kW,饱和带宽为4%。     

椭圆波导FEM放大器的非线性特性研究

以椭圆波导、平板摇摆器为FEM放大器的模型,导出了自洽的注波互作用三维非线性方程组。在此基础上编制了相应的程序。利用该程序分析了FEM放大器的饱和功率、效率以及带宽等高频特性。考虑了摇摆器渐变、空间电荷波、电子初始速度零散对高频特性的影响。     

椭圆波导FEM放大器的非线性特性研究

 以椭圆波导、平板摇摆器为FEM放大器的模型,导出了自洽的注波互作用三维非线性方程组。在此基础上编制了相应的程序。利用该程序分析了FEM放大器的饱和功率、效率以及带宽等高频特性。考虑了摇摆器渐变、空间电荷波、电子初始速度零散对高频特性的影响。     

有限磁场中等离子体圆柱波导的传播特性

分析了有耗介质中等离子体圆柱波导在有限外加磁场中的传播特性.重点讨论了波导传播常数随等离子体参数、介质参数和外加磁场的变化.分析结果表明,有限强磁场中的等离子体波导的传播特性比无外磁场或外加磁场为无穷大时具有更强的控制能力.关键词：     

高功率同轴波导Ubitron放大器的高频特性研究

 用三维非线性理论,对高功率同轴波导Ubitron放大器进行了研究。该Ubitron放大器采用环形相对论电子注与同轴波导的TE₀₁模相互作用。通过数值模拟,在Ku波段得到了2.24MW的输出功率,其效率为10.9%,带宽为35% 。数值计算结果表明：电子注的自场导致饱和功率减少,频带变窄,增益下降。使用摇摆器幅值渐变,器件工作效率从10.9%提高到12.3%。     

高功率同轴波导Ubitron放大器的高频特性研究

用三维非线性理论,对高功率同轴波导Ubitron放大器进行了研究。该Ubitron放大器采用环形相对论电子注与同轴波导的TE01模相互作用。通过数值模拟,在Ku波段得到了2.24MW的输出功率,其效率为10.9%,带宽为35% 。数值计算结果表明：电子注的自场导致饱和功率减少,频带变窄,增益下降。使用摇摆器幅值渐变,器件工作效率从10.9%提高到12.3%。     

螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器的非线性模拟

 给出了螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器非线性模拟中,处理偏模的初值问题和计算精度瞬时监测问题两项关键技术。采用这些技术编制的程序所得到的数值计算结果与Denisov等人实验观测值符合得很好。在此基础上,对电子束速度离散、螺旋开槽周期和开槽深度对效率的影响,进行了非线性模拟研究。结果表明：螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器效率对电子束速度离散不敏感,而对螺旋波纹开槽周期和开槽深度的依赖性较强;通过参数优化可望把目前实验的效率水平提高到25.6%。     

内开槽矩形波导栅慢波电路高频特性的数值分析

介绍了用德国CST公司提供的MWS 4.2软件模拟计算色散特性和耦合阻抗的理论方法,对内开槽矩形波导栅结构的高频特性进行了数值模拟。结果表明：在传统矩形波导栅结构的基础上,开槽后的矩形波导栅结构比开槽前的相速更低,用作行波管的慢波结构时,可降低工作电压,工艺上容易实现,而且耦合阻抗均在45 W以上,满足毫米波行波管的要求;在内开槽宽度一定的前提下,槽深、栅间距和栅周期的增大对降低系统相速有利。     

内开槽矩形波导栅慢波电路高频特性的数值分析

 介绍了用德国CST公司提供的MWS 4.2软件模拟计算色散特性和耦合阻抗的理论方法,对内开槽矩形波导栅结构的高频特性进行了数值模拟。结果表明：在传统矩形波导栅结构的基础上,开槽后的矩形波导栅结构比开槽前的相速更低,用作行波管的慢波结构时,可降低工作电压,工艺上容易实现,而且耦合阻抗均在45 W以上,满足毫米波行波管的要求;在内开槽宽度一定的前提下,槽深、栅间距和栅周期的增大对降低系统相速有利。     

等离子体填充圆柱波导中双流不稳定性的研究

 在无限大磁场情况下对等离子体填充圆柱波导中双电子注的相互作用进行了理论分析,得出行列式形式的色散方程。针对不同参数对色散方程进行数值计算,发现当两根电子注之间存在速度差时,通过快慢空间电荷波的相互作用,两电子注引起的双流不稳定性可以产生契伦柯夫辐射;当等离子体频率超过双注相互作用的频率范围后,可以大大加强和改善等离子体、两电子注三者之间的相互作用。     

等离子体填充圆柱波导中双流不稳定性的研究

在无限大磁场情况下对等离子体填充圆柱波导中双电子注的相互作用进行了理论分析,得出行列式形式的色散方程。针对不同参数对色散方程进行数值计算,发现当两根电子注之间存在速度差时,通过快慢空间电荷波的相互作用,两电子注引起的双流不稳定性可以产生契伦柯夫辐射;当等离子体频率超过双注相互作用的频率范围后,可以大大加强和改善等离子体、两电子注三者之间的相互作用。     

硅狭缝光波导的色散特性及其色散补偿应用的研究

对硅狭缝光波导色散特性进行了数值研究.研究结果表明,在1.55μm工作波长附近,硅狭缝光波导色散随结构参量的改变而改变,一般在-1000ps/(nm·km)以下,最大可达到-6700ps/(nm·km)左右,同时其相对色散斜率可小于0.009nm-1.因此,选取合适的结构参量,硅狭缝光波导可被用于补偿高速宽带光通信链路的残余色散,且比现有的色散补偿光纤具有一定的优势.     

纵向非均匀掺铒的光波导放大器特性数值模拟研究

提出一种通过非均匀掺铒方法提高光波导放大器增益和抽运效率的优化设计方案,并在有限 元法基础上构建了光波导放大器模型.计算中考虑到合作上转换、交叉弛豫和激发态吸收等 效应. 利用自适应法求解了两种铒离子浓度分布方案,分别使脊形光波导放大器增益在固定 长度和增益最大值有1027%和565%的提高. 计算结果与级联掺铒玻璃样品的实验结果相 符合. 关键词：掺铒光波导放大器非均匀掺杂增益特性自适应算法     

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。     

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0.135~0.157 THz频率区间具有很好的色散平坦度,3 dB带宽为13 GHz,0.14 THz处获得了20.88 dB的最大增益;多束合成行波管在0.14 THz处获得了20.8 dB的合成增益,3 dB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。     

加载环形等离子体束的圆柱波导中慢等离子体波高频特性的数值研究

等离子体相对论微波发生器（PRMG）可以产生宽带高功率微波输出,同时又具有良好的频率可调谐性,因此在雷达、通信、电子对抗和物体探测等诸多领域均具有良好的应用前景。PRMG通常采用加载环形等离子体束的圆柱波导作为其波束互作用区,工作模式为慢等离子体波TM₀₁模（下称P-TM₀₁模）。P-TM₀₁模的色散特性及其变化规律对PRMG输出性能有着重要影响。利用全电磁粒子模拟程序对加载环形等离子体束的圆柱波导中P-TM₀₁模的色散特性和场分布进行了粒子模拟和分析,获得等离子体束密度n_p、径向厚度Δr_p和径向位置r_p以及外加引导磁场强度B_z和波导半径r_w等参数对P-TM₀₁模的色散特性和场分布的影响规律。主要研究结果包括：（1）一定范围内,n_p 和Δr_p的变化对色散特性影响较大,r_p,B_z和r_w的变化对色散特性影响较小。值得关注的是,由于波导中环形等离子体束的存在,随着波导半径r_w的增加,相同纵向波数k_z对应的P-TM₀₁模的频率没有降低而是略有提高。因此,在实际应用时,可以适当加大波导径向尺寸以提高器件功率容量;适当降低磁场,则有利于提高器件的紧凑性。（2）P-TM₀₁模的纵向电场的方向不随径向位置变化,径向电场的方向在等离子体束内外两侧相反,外侧的场分布与同轴波导中TEM模相似。（3）主要物理参数变化时,场分布基本特点不会改变。但随着纵向模式数N和k_z相应增加,电场能量向等离子体束收拢,不利于波束相互作用和电磁场的耦合输出。因此为了PRMG的高效运行,束波互作用的共振点最好落在k_z相对较小的区域。上述研究结果对PRMG的设计和优化具有一定的理论参考价值。     

Ka波段曲折双脊波导行波管的研究

提出了一种曲折双脊波导慢波结构,理论分析了慢波结构的高频特性,并在此基础上设计了工作在Ka波段的曲折双脊波导行波管.利用三维粒子模拟软件MAGIC 3D建立了曲折双脊波导行波管模型,并对行波管中的注-波互作用进行了模拟分析.在相同工作条件下,分析比较了曲折双脊波导行波管和曲折波导行波管的各种性能参量,从中发现：在行波管增益峰值相近的情况下,曲折双脊波导行波管具有更好的带宽性能,其3 dB增益带宽为22％;同时具有更高的电子效率,其峰值接近9％.