Experimental investigation of a compact relativistic magnetron with axial TE11 mode radiation

As one of the relativistic electron tubes having compact configuration and high efficient output, the relativistic magnetron with direct axial radiation is very attractive in pulsed power and high power microwave fields for industrial and military applications. In this paper, the experimental investigation of a relativistic magnetron with axial TE11 mode radiation is reported. Under a total length of - 0.3 m, volume of - 0.014 m3, working at an applied voltage of 508 kV and a magnetic field of - 0.31 T, the relativistic magnetron radiates a microwave of 540 MW with the TE11 mode at 2.35 GHz in the axial direction. The power conversion efficiency is 15.0%. After a lot of shots, the detected amplitudes of microwaves are nearly the same. The fluctuations of wave amplitudes are less than 0.3 dB.     

同轴辐射相对论磁控管的功率合成研究

同轴辐射相对论磁控管,又称具有衍射输出的相对论磁控管,是目前相对论磁控管在小型化和紧凑化方向发展的重要分支,也是有望成为最紧凑的窄带高功率微波源器件之一.根据同轴辐射相对论磁控管直接轴向辐射准TE11模式的方式和特点,开展了两路同轴辐射相对论磁控管共用一个喇叭的功率合成研究.通过对平行排列结果的分析讨论,提出了一种改善辐射方向性的方法和结构.最终的研究结果表明:当两路同轴辐射相对论磁控管并排靠近放置且夹角为7°,共用喇叭的参数为h=600mm,r=340mm时,π模反射系数为0.31,最大增益21.5dB,辐射模式为TE11模.     

L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计

设计了一种全腔提取轴向输出相对论磁控管。在模工作的N腔磁控管中, 该结构利用磁耦合的方式通过两个相邻谐振腔在一个扇形波导内激励起TE11模, 然后再由N/2个相位相同的扇形波导TE11模沿轴向向外传输。对L波段全腔提取轴向输出磁控管进行了仿真设计, 在600 kV, 6.3 kA的条件下, 获得1.89 GW微波输出, 功率转换效率50%, 微波频率1.57 GHz。该结构在径向方向上仅增加一个扇形波导厚度, 便于实现相对论磁控管的紧凑、高效设计。     

HEM₁₁ mode magnetically insulated transmission line oscillator:Simulation and experiment

A novel magnetically insulated transmission line oscillator(MILO) in which a modified HEM 11 mode is taken as its main interaction mode(HEM 11 mode MILO) is simulated and experimented in this paper.The excitation of the oscillation mode is made possible by carefully adjusting the arrangement of each resonant cavity in a two-dimensional slow wave structure.The special feature of such a device is that in the slow-wave-structure region,the interaction mode is HEM 11 mode which is a TM-like one that could interact with electron beams effectively;and in the coaxial output region,the microwave mode is TE 11 mode which has a favourable field density pattern to be directly radiated.Employing an electron beam of about 441 kV and 39.7 kA,the HEM 11 mode MILO generates a high power microwave output of about 1.47 GW at 1.45 GHz in particle-in-cell simulation.The power conversion efficiency is about 8.4 % and the generated microwave is in a TE 11-like circular polarization mode.In a preliminary experiment investigation,high power microwave is detected from the device with a frequency of 1.46 GHz,an output energy of 43 J-47 J,and a pulse duration of 44 ns-49 ns when the input voltage is 430 kV-450 kV,and the diode current is 37 kA-39 kA.     

基于长缝耦合的紧凑型TE31-TE11高功率微波模式变换器

提出了一种新型的TE31-TE11模式的紧凑型高功率微波模式转换器结构，在对比分析TE31和TE11两个模式的场分布特征相互关系基础上，通过在输入和输出圆波导组成的内外套筒结构和适当布置镜像对称分布的轴向耦合长缝，实现在小于1.2个波长的轴向长度内将相对论磁控管产生的L 波段TE31模式高功率微波转换为可定向辐射的圆波导TE11模式，采用全电磁波仿真结合Taguchi方法优化了模式转换器的几何参数，在工作频点获得的仿真模式转换效率为99%，效率高于95%的带宽达到10%，并对其工作于真空环境下的瞬态功率容量进行了仿真分析，理论的瞬态功率容量可达到3.4 GW。     

用于磁控管轴向辐射TE_(11)模式的紧凑型输出结构北大核心CSCD

提出了一种用于轴向输出相对论磁控管中具有TE_(11)辐射模式的紧凑型输出结构。该器件采用6谐振腔结构并工作在π模式上,通过合理设计谐振腔结构与输出圆波导之间过渡结构,模拟实现了圆TE_(11)模式微波的轴向输出。与传统衍射输出相对论磁控管相比,本文设计的轴向输出结构,不仅能在输出波导中获得更加纯净的微波模式,而且能减小磁控管的径向尺寸,使得系统更加紧凑化。初步的粒子模拟结果表明:当电压为280kV、磁场强度为0.5T时,该器件的工作频率为4.18GHz,输出功率为247.0 MW,功率转换效率达到21.9%。     

X波段重复频率GW级超辐射相对论返波管

运用超辐射机理,通过粒子模拟设计了X波段超辐射相对论返波管,并在小型Tesla脉冲源平台上开展了实验研究。通过空间功率积分和直接对辐射微波时域波形的分析得到实验结果:在束压350 kV、束流4.8 kA、脉宽3.1 ns、引导磁场2.2 T条件下,产生的微波辐射功率1.4 GW,中心频率9.36 GHz,脉宽500~700 ps,辐射模式为TE11,能在重复频率100 Hz下稳定运行。功率转换效率超过80%。实验结果与粒子模拟结果比较吻合,成功实现了在短脉冲条件下产生重复频率、亚纳秒脉宽、GW级微波辐射。     

引导磁场对相对论返波管微波功率的影响

 对引导磁场大小对相对论返波管(RBWO)微波功率的影响进行了理论和实验研究。首先利用KARAT软件对RBWO进行了全电磁PIC数值模拟,发现当磁场降低时,TE模与TM₀₁模的竞争导致微波功率降低,同时模拟中观察到“电子回旋共振吸收”现象,它是由于电子束与慢波结构中TM₀₁模的基波相互作用的结果;然后进行了实验研究,实验结果与数值模拟基本相符。     

L波段紧凑型TEM-TE11模式转换器

设计了一种适用于窄带高功率微波源系统的紧凑型TEM-TE11模式转换器。该结构首先将同轴波导沿角向分区使微波在各分区内相位传播常数不同,然后将相位传播常数较大的分区进行横向折叠设计以缩短系统轴向长度。分区传播的微波在模式转换器末端相位差达到180时,合成同轴波导中TE11模式。为L波段磁绝缘振荡器设计了模式转换器,并采用数值仿真程序进行计算,在1.31 GHz中心频率上,模式转换器转换效率为95%;在1.23~1.40 GHz频率上,模式转换器效率大于90%,相对带宽13%。将模式转换器应用于磁绝缘振荡器,并测量了天线的定向辐射能力,所得结果与设计一致。     

阴极帽结构L波段相对论磁控管的效率提升

提出了一种具有阴极帽结构的L波段相对论磁控管的设计方案,并给出了数值模拟结果。在相对论磁控管中引入阴极帽是为了降低轴向泄露电流并提高功率转换效率。三维粒子模拟用于研究引入阴极帽后产生的影响。结果显示,当在束波互作用区域的上游和下游同时添加阴极帽,并且将阴极延伸出阳极块结构,直至衍射输出结构时,轴向泄露电流不仅会从1 kA降至72 A,且功率转换效率会有明显提高。虽然如此,阴极帽的引入除了以上优点外,同样会带来微波反射。因此,阴极帽的半径和位置对于效率有至关重要的影响,它们之间存在一个最优数值来保证效率最高。当电压为563 kV, 磁场为0.34 T时,轴向衍射输出结构L波段相对论磁控管输出微波功率为2.13 GW,频率为1.59 GHz,相应的功率转换效率为75.5%。     

A6相对论磁控管模式切换射频信号馈入方法

目前国际上提出了采用短脉冲射频（RF）信号实现相对论磁控管的模式切换,数值模拟经证实了可以采用几十kW到几百kW的RF信号实现相对论磁控管采用轴向提取功率的相邻模式以及同一模式的不同纵向模式之间的切换,这里假设所需的RF信号的能量已经馈入到相对论磁控管腔体内。提出了实验系统中采用扇形波导和探针天线来馈入前级微波源来提供模式切换所需的RF信号的能量的方法。该方法分为两个步骤,首先采用扇形波导来将前级微波源提供的能量馈入到相对论磁控管的阳极体中;然后利用探针天线将馈入的RF信号辐射至相对论磁控管腔体内,提供模式切换所需的能量。数值模拟证实了该方法在实际应用中具有可行性以及实用性。     

轴向反馈式虚阴极振荡器辐射微波模式的远场测定

 采用远场测量法测量了虚阴极振荡器波导口的微波辐射方向图及虚阴极振荡器波导口处接上TM₀₁-TE₁₁模式转换器时的微波辐射方向图,接收喇叭口面与微波辐射口之间的距离为1.00 m,满足远场条件。结果表明：两种情况下的辐射主模式分别为TM₀₁模式和TE₁₁模式,从而证实了在实验装置轴对称的条件下,轴向虚阴极振荡器的微波辐射主模式确为理论所预期的TM₂模式。对辐射模式的分析表明,TM₀₁模式纯度约为90%,TE₁₁模式的辐射功率为TM₀₁模式的5%左右;TE₂₁,TE₀₁和TM₁₁模式三者的总辐射功率较TM₀₁模式低一个量级以上,微波辐射功率大于300 MW,辐射频率为4.6 GHz左右,微波脉宽大于40 ns。     

金属超材料TEM-TE11高功率微波模式转换器北大核心CSCD

利用高折射率的金属超材料作为移相器,设计了一种紧凑型高功率微波TEM-TE_(11)模式转换器。通过研究同轴扇形金属栅格超材料的传输特性,得到高折射率的全金属超材料。采用CST Microwave Studio软件对金属超材料TEM-TE_(11)模式转换器进行了数值模拟,结果显示:该转换器在1.56 GHz附近转换效率大于96%,相对带宽约4%,功率容量不低于2 GW,系统纵向长度仅0.42个波长。将所设计的模式转换器结合L波段磁绝缘线振荡器开展了一体化设计,在器件输出口得到了TE_(11)模高功率微波输出。     

2π工作模式下可调谐同轴辐射相对论磁控管的模拟研究

采用三维粒子模拟,开展了2π工作模式下同轴辐射相对论磁控管的频率调谐研究.利用在互作用区的谐振腔中填充固体电介质来实现器件的频率调谐.通过改变电介质的相对介电常数以及内半径考察了所研究的同轴辐射相对论磁控管的工作频率、平均输出功率以及效率的变化情况,并对电介质的频率调谐作用进行了简单的理论分析.模拟结果表明:在不改变基本结构参数以及工作点的情况下,仅调整固体电介质的相对介电常数或内半径实现了所研究的同轴辐射相对论磁控管S波段到L波段的跨频段调谐;电介质的插入同时也改善了输出性能,当相对介电常数在6–15且内半径在4.18–4.40 cm之间时,功率效率得到提升,提升幅度可达80%,单边调谐宽度小于55%. 关键词： 频率调谐 同轴辐射磁控管 粒子模拟 高功率微波     

阶梯阴极型L波段MILO的实验研究

 对阶梯阴极型L波段磁绝缘线振荡器（MILO）进行了实验研究。介绍了测试方法与测试系统；开展了阴极电子发射实验，发现阴极电子发射不均匀是对称结构MILO产生非对称微波模式的最关键的因素之一；并对二极管屏蔽环尺寸、扼流片半径、提取间隙等进行了研究。在电子束电压约420 kV、电流33 kA的条件下，得到了阶梯阴极型L波段MILO的高功率微波辐射功率为1.22~1.47 GW，脉宽大于20 ns，频率为1.21 GHz，束波转换效率约为10%，器件产生微波模式为TM01模，经过模式转换器后的辐射模式为TE11模。     

高功率微波振荡器的相位控制

基于相对论返波管振荡器,提出了一种小信号牵引相位控制的方法,通过外加小信号对振荡器起振过程的引导,实现对输出微波的相位控制。相比于传统的方法,该方法可以利用ns量级的脉冲在较宽的带宽和较低的注入功率下实现对高功率微波振荡器的相位控制。在X波段相对论返波管振荡器相位控制实验中,利用百kW级的小信号,实现了对GW级高功率微波的输出相位控制,相位抖动小于±15°。     

高功率微波弯曲矩形波导设计

 利用模式耦合理论,在理论推导出弯曲矩形波导TE01模和高阶模之间耦合系数显式表达的基础上,对弯曲矩形波导进行了实例研究。HFSS软件数值仿真结果表明：设计的矩形波导TE01-TE02模式转换器在9.5 GHz转换效率达到99.9%,转换效率大于90%的工作带宽为8.60～10.48 GHz;设计的弯曲矩形波导传输线,可有效传输TE01模,不激励起高阶模式。HFSS数值仿真结果验证了所设计的传输线工作带宽和功率容量均能够满足使用要求。     

Photonic generation of stable microwave signals from a dual-wavelength Al₂O₃:Yb³⁺ distributed-feedback waveguide laser

We report the fabrication and characterization of a dual-wavelength distributed-feedback channel waveguide laser in ytterbium-doped aluminum oxide. Operation of the device is based on the optical resonances that are induced by two local phase shifts in the distributed-feedback structure. A stable microwave signal at ～15 GHz with a -3?dB width of 9 kHz was subsequently created via the heterodyne photodetection of the two laser wavelengths. The long-term frequency stability of the microwave signal produced by the free-running laser is better than ±2.5 MHz, while the power of the microwave signal is stable within ±0.35 dB.     

L波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究

以实现GW级高功率微波源长时间稳定运行为目标,利用应用电子学研究所小型化Marx型脉冲功率源平台开展了L波段六腔衍射输出相对论磁控管长时间稳定运行实验研究。首先介绍了L波段六腔衍射输出相对论磁控管基本结构及长时间稳定运行实验装置基本情况,接着给出了测试系统布局及各参数测试方法,最后给出了实验研究结果:所研制的L波段衍射输出相对论磁控管在输出功率大于1 GW、重复频率10 Hz的条件下实现了超过55 min的长时间稳定运行,输出微波模式稳定,无竞争模式出现,中心频率为1.57 GHz。     

S波段可调谐轴向输出相对论磁控管的粒子模拟

研究了一种能同时实现S波段频率可调谐和微波轴向输出的相对论磁控管,该管采用10腔旭日型谐振腔结构和改进型轴向输出结构。利用高频场分析软件与粒子模拟软件,初步分析和优化了器件的工作性能。模拟结果表明:当电压为350 kV,磁场为0.3 T时,在20 %相对带宽（约700 MHz）内输出功率大于530 MW,功率转换效率大于20%,功率转换效率最高达到40.19%。