一种5.8 GHz磁控管粒子模拟

借助3维粒子仿真软件对一种新型18叶片5.8 GHz磁控管进行了动态模拟,比较了爆炸式发射与电子注发射的不同。利用磁路电子注发射方式针对不同的阴极发射电流进行了动态模拟,得到了不同发射电流条件下磁控管的工作特性。同时,利用FEMM仿真软件对磁控管磁路进行了仿真,得到了磁控管互作用空间的磁场分布,并在此基础上,对非均匀磁场下磁控管动态性能进行了模拟。     

一种5.8 GHz磁控管粒子模拟

 借助3维粒子仿真软件对一种新型18叶片5.8 GHz磁控管进行了动态模拟,比较了爆炸式发射与电子注发射的不同。利用磁路电子注发射方式针对不同的阴极发射电流进行了动态模拟,得到了不同发射电流条件下磁控管的工作特性。同时,利用FEMM仿真软件对磁控管磁路进行了仿真,得到了磁控管互作用空间的磁场分布,并在此基础上,对非均匀磁场下磁控管动态性能进行了模拟。     

非均匀磁场下14叶片5.8 GHz磁控管的三维数值模拟

频谱噪声的抑制问题一直是磁控管的研究重点。对14叶片5.8 GHz磁控管进行了三维建模,包括阴极、叶片、隔膜带、极靴和输出天线等。使用冷腔模拟得到了模腔体频率5.86 GHz。热腔模拟计算得到7个电子轮辐,说明管子在模正常工作。在某种极靴结构下,计算得到腔体中存在一个近似二次曲线的非均匀磁场分布。在阳极电压4.5 kV、非均匀磁场中心值0.289 T时,模拟得到输出频率5.891 GHz,阳极电流1.55 A,输出功率4.9 kW,电子效率70.3%的结果。输出频谱比较干净,抑制了非模式的工作,提高了工作效率。     

C波段相对论磁控管的三维粒子模拟研究

利用场论的方法推导了6腔扇形腔结构相对论磁控管的色散关系, 并用牛顿迭代法对色散关系进行了求解, 得到了色散关系曲线. 利用三维PIC粒子模拟, 对该结构的相对论磁控管分别进行了冷腔和热腔研究, 冷腔研究得到了π模谐振频率为2.42GHz, 与本文理论推导的色散关系有很好的一致性. 在热腔情况下, 电子能量为437keV, 电子束流为12.2kA, 外加磁场为0.6T, 模拟得到了频率     

阻抗匹配条件下磁控管的注入锁频

单只磁控管输出功率不能满足大规模工业应用, 需要对多只磁控管进行相干功率合成. 为解决普通磁控管相干功率合成所需的相位一致性, 需要对普通磁控管引入注入锁频技术, 以保障工作频率和相位差的稳定性. 本文在阻抗匹配的条件下, 结合磁控管稳定振荡的条件, 从等效电路的角度出发对磁控管注入锁频原理进行分析, 给出了在小注入比和大注入比情况下磁控管的注入锁频理论, 大注入比情况比小注入比情况给出了更大的锁频带宽. 采用MATLAB对理论方程进行解析求解, 同时通过三维粒子仿真软件对锁频理论进行了对比验证, 得出了在不同注入比下磁控管的锁频带宽和相位差微分方程, 给出了在不同初始相位下的相位差变化曲线, 得到了A6磁控管在自由振荡和注入锁频工作下三维模拟仿真的输出功率、频率和波形. 模拟结果表明, 在两种情形预测的锁频带宽内, 磁控管均能被锁定并稳定工作, 在大注入比下大注入比情况比小注入比情况更为准确. 关键词： 磁控管 注入锁频 注入比 相位差     

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     

相对论磁控管的实验研究

简要分析了相对论磁控管的主要特点与问题,编制了谐振系统数值计算程序,通过数值计算与冷测,对不同阴极尺寸与输出结构的磁控管进行了研究,清晰地描述了磁控管的振荡模式与简并现象。制作了A6型相对论磁控管并进行了热测实验,研究了输出功率与工作磁场的关系,经过大量优化工作,在S波段获得了380MW的微波辐射。     

相对论磁控管透明阴极的仿真与实验

基于一个6腔异腔结构相对论磁控管,运用粒子模拟仿真软件,对同轴阴极和透明阴极的特性进行仿真和实验研究。经仿真优化,设计并制作了一支3个带的透明阴极。粒子模拟结果表明,在相同条件下透明阴极比同轴阴极电子群聚时间大大缩短,起振时间大幅减小,整管效率提高约1倍,输出微波频谱更纯,模式竞争更小。实验结果表明,相同条件下,应用透明阴极所得到的微波脉宽较宽,在S波段获得721 MW的微波功率输出。说明应用透明阴极能缩短相对论磁控管起振时间,与粒子模拟结果相符。     

C波段相对论磁控管的三维粒子模拟研究

利用场论的方法推导了6腔扇形腔结构相对论磁控管的色散关系,并用牛顿迭代法对色散关系进行了求解,得到了色散关系曲线.利用三维PIC粒子模拟,对该结构的相对论磁控管分别进行了冷腔和热腔研究,冷腔研究得到了7π模谐振频率为2.42GHz,与本文理论推导的色散关系有很好的一致性.在热腔情况下,电子能量为437keV,电子束流为12.2kA,外加磁场为0.6T,模拟得到了频率为4.5GHz,平均峰值功率为0.96Gw的C波段的高功率微波输出,分别通过相空间图和不同腔内射频场随时间的变化曲线可以确定器件工作在2π模,效率约为18%,且频谱纯净.当进一步对参数进行优化后,在注入的电子能量和电子束流分别为1.05MeV和20.7kA,外加磁场为0.7T时,得到平均功率达到约4.4GW,频率为4.37GHz微波输出,效率约为20%.     

全腔输出半透明阴极相对论磁控管的结构改进和性能提升

对全腔输出半透明阴极相对论磁控管做了进一步的改进,并对其进行了物理分析和三维全电磁粒子模拟研究。通过半透明阴极结构的改进,即改变阴极角向方位和阴极发射面高度参差设计以及局部参数优化,使得在较宽的工作参数范围内,器件起振初期可能出现的模式竞争得到抑制,起振时间进一步缩短,同时输出效率得到较大提高。在注入电子束电压和电流分别约为518 kV和4.1 kA、外加磁场为0.575 T时,模拟在S波段获得了效率大于66%、功率约1.42 GW的微波输出。同时还给出了电子束电压和外加磁场等参数在一定范围内变化时对输出性能的影响规律。研究结果可应用于高效紧凑型相对论磁控管的实验研究。     

可调谐相对论磁控管的实验研究

实验研究了高有载品质因数下有无阳极端帽时调谐性能的差异,以及低有载品质因数下,没有阳极端帽时的可调谐相对论磁控管性能。研究结果表明：没有阳极端帽时,可调谐相对论磁控管具有更宽的调谐范围;在高有载品质因数下,可以达到2.52～3.31 GHz的调谐范围,输出功率范围为44～790 MW;低有载品质因数下,调谐范围为2.55～3.05 GHZ,调谐范围内输出功率1～1.7 GW。     

Analysis and experiments of self-injection magnetron

Magnetrons are widely used in microwave-based industrial applications, which are rapidly developing. However, the coupling between their output frequency and power as well as their wideband spectra restricts their further application. In this work, the output frequency and power of a magnetron are decoupled by self-injection. Moreover, the spectral bandwidth is narrowed, and the phase noise is reduced for most loop phase values. In order to predict the frequency variation with loop phase and injection ratio, a theoretical model based on a circuit equivalent to the magnetron is developed. Furthermore,the developed model also shows that the self-injection magnetron is stabler than the free-running magnetron and that the magnetron's phase noise can be reduced significantly for most loop phase values. Experimental results confirm the conclusions obtained using the proposed model.     

全三维55 GHz双阳极磁控注入式电子枪数值模拟

根据绝热压缩和角动量守恒理论对55 GHz双阳极磁控式注入枪进行了初始参数的设计,并利用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟,通过改变阴极半径、电子注电流、阴极磁场等参数来分析其对磁控注入式电子枪输出结果的影响。最终通过优化参数和综合因素的考虑,得到了横纵速度比为1.44、最大速度零散为5.8%的高性能电子束,能够很好满足55 GHz回旋振荡管对电子束的要求。     

全三维35 GHz双阳极磁控注入式电子枪数值模拟研究

基于trade-off平衡方程组得到35GHz双阳极磁控注入式电子枪的初始参数,通过编程对其主要参数进行优化设计,并经由自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC中的电子枪计算模块对其进行全三维的数值模拟研究,最终获得了具有横纵速度比为1.5,最大速度零散约为5.4%的高性能电子枪,能够很好地满足35GHz-100kW回旋振荡管对电子束的要求。     

透明阴极实现相对论磁控管跳频的仿真

基于一个6腔同腔结构相对论磁控管, 透明阴极金属条个数与磁控管腔数相同时相对论磁控管易于工作在2模式, 减少为腔体数目一半时易于工作在模式, 提出了旋转扇形透明阴极金属条角向位置实现相对论磁控管中心频率跳变的方案。经仿真优化, 设计了外径15 mm, 6个扇形金属条的透明阴极, 每个扇形金属条的角向宽度为20。运用粒子模拟软件, 仿真分析了角向位置金属条与阳极块相对应及金属条与谐振腔相对应两种情况, 在工作磁场保持0.75 T, 调节工作电压在600~800 kV内变化时, 模拟结果表明, 相对论磁控管可以很稳定地分别工作在 2模式和模式, 即通过旋转透明阴极实现相对论磁控管频率跳变。     

170 GHz回旋管大束流双阳极磁控注入电子枪的分析及设计

 基于绝热压缩原理和强流电子光学理论,设计了一只170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪,经过理论分析及计算,采用仿真软件进行模拟和优化,最终得到的电子枪的电子注速度比为1.31,横向速度零散度为3.5%,纵向速度零散度为6.1%,束电流为51 A。讨论了阴极磁场、控制阳极电压和第二阳极电压等因素对电子注性能的影响,发现电子注的速度比和速度零散度对这些影响因子的变化都非常敏感:随着阴极磁场的增大,电子注的速度比减小,纵向速度零散度先增大后减小,横向速度零散度先减小后增大;阳极角越接近阴极倾角,纵向速度零散度越小;阳极角向着减小阴阳极间距的方向变化时横向速度零散度变小;增大第一阳极电压可以增大电子注的速度比和电子注的速度零散度。在两阳极电压不变的情况下,增大阴阳极之间的距离会使电子注的速度零散度和电子注的速度比减小。     

170 GHz回旋管大束流双阳极磁控注入电子枪的分析及设计

基于绝热压缩原理和强流电子光学理论,设计了一只170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪,经过理论分析及计算,采用仿真软件进行模拟和优化,最终得到的电子枪的电子注速度比为1.31,横向速度零散度为3.5%,纵向速度零散度为6.1%,束电流为51 A。讨论了阴极磁场、控制阳极电压和第二阳极电压等因素对电子注性能的影响,发现电子注的速度比和速度零散度对这些影响因子的变化都非常敏感:随着阴极磁场的增大,电子注的速度比减小,纵向速度零散度先增大后减小,横向速度零散度先减小后增大;阳极角越接近阴极倾角,纵向速度零散度越小;阳极角向着减小阴阳极间距的方向变化时横向速度零散度变小;增大第一阳极电压可以增大电子注的速度比和电子注的速度零散度。在两阳极电压不变的情况下,增大阴阳极之间的距离会使电子注的速度零散度和电子注的速度比减小。     

全三维35 GHz双阳极磁控注入式电子枪数值模拟研究

基于trade-off平衡方程组得到35 GHz双阳极磁控注入式电子枪的初始参数,通过编程对其主要参数进行优化设计,并经由自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC中的电子枪计算模块对其进行全三维的数值模拟研究,最终获得了具有横纵速度比为1.5,最大速度零散约为5.4%的高性能电子枪,能够很好地满足35 GHz-100 kW回旋振荡管对电子束的要求。