HEM11模磁绝缘线振荡器的高频分析

作为小型化和紧凑型的高功率微波源,磁绝缘线振荡器(MILO)在过去十几年里得到了广泛的研究和发展.在大多数研究中,最低的对称模一直被当作器件的主模.然而,由于结构的对称性或者电子发射均匀度不理想等原因,很容易激励起非对称模式.计算了MILO同轴结构中同时包含对称模和非对称模的本征方程.在此基础上,通过对结构的优化设计,提出了一种HEM..模工作的MILO,并开展了原理性实验.在二极管的电压为480 kV,电流为39kA条件下得到了功率为1.2 GW,脉冲宽度为加40 ns 的微波输出,功率转换效率约为6.5%,微波频率为1.98 GHz,模式为HEM11模.     

S波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

 设计了一种阶梯阴极型S波段磁绝缘线振荡器,通过对其色散关系的研究,选择了合理的结构参数。通过对开放腔模型的分析,得到了磁绝缘线振荡器的谐振频率和有载品质因数。粒子模拟表明,在外加电压523 kV、束流49.7 kA时,微波输出功率4.35 GW,频率2.10 GHz,功率转换效率16.7%。     

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。     

一种S波段磁绝缘线振荡器的高频特性研究

 用数值计算的方法计算了S波段磁绝缘线振荡器（S-MILO）的主慢波结构谐振腔的π/4模、π/2模、3π/4模和π模的谐振频率,分别为1.40,2.21,2.46和2.51 GHz;计算出S-MILO封闭腔中的谐振频率依次为1.26,2.04,2.42和2.53 GHz,并计算了本征π模时的Q值。通过监测宽带激励源响应计算出S-MILO开放腔的谐振频率为2.43 GHz。对S-MILO开放腔传输特性研究表明：频率为2.25～3.05 GHz的微波,在第一腔内得到了有效抑制,输出微波的频率范围为2.2～2.5 GHz。通过对其传输特性进行研究,验证了S-MILO的高频电磁结构的合理设计。     

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究

 利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布。结果表明：当主慢波结构腔内半径为4.6 cm,扼流腔内半径为4.2 cm,阴极半径为3 cm时,MILO工作在3.6~4.4 GHz频率范围,扼流片可以阻止微波功率向脉冲功率源泄漏,这有利于提高器件微波输出的功率;4.5~4.9GHz频段为慢波结构的阻带,微波在该频段截止。计算了C波段MILO开放腔的谐振频率,当模式分别为3π/8,π/2,5π/8,3π/4时,其谐振频率分别为3.18,3.76,4.00,4.11 GHz;并通过实验测出了开放腔的谐振频率,其相应的值分别为3.80,3.94,4.08.4.18 GHz, Q分别为194,143,231,468。数值计算的谐振频率与实验测出的频率基本一致。     

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究

利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布。结果表明：当主慢波结构腔内半径为4.6 cm,扼流腔内半径为4.2 cm,阴极半径为3 cm时,MILO工作在3.6~4.4 GHz频率范围,扼流片可以阻止微波功率向脉冲功率源泄漏,这有利于提高器件微波输出的功率;4.5~4.9GHz频段为慢波结构的阻带,微波在该频段截止。计算了C波段MILO开放腔的谐振频率,当模式分别为3π/8,π/2,5π/8,3π/4时,其谐振频率分别为3.18,3.76,4.00,4.11 GHz;并通过实验测出了开放腔的谐振频率,其相应的值分别为3.80,3.94,4.08.4.18 GHz, Q分别为194,143,231,468。数值计算的谐振频率与实验测出的频率基本一致。     

C波段磁绝缘线振荡器开放腔高频特性分析

 建立了C波段磁绝缘线振荡器开放腔模型,通过监测宽带激励源的响应计算出开放腔的谐振频率和有载品质因数。用时域有限差分法计算了不同的径向位置一个周期内的径向电场随纵向距离的变化。计算表明：0~4.1 cm区电场很小但不为零;4.1~11.5 cm区域电场呈现驻波特性;在11.5~20 cm区域电场分布比较复杂,表现两个性质,一是驻波场过渡到行波场,二是从周期性加载圆柱谐振腔的TM00模过渡到同轴线的TEM模;在20~36.85 cm区域电场每经过1/4周期向右传播1/4波长,表现出行波特性。由此根据该计算结果将开放腔中的场从左到右分成4个区：截止区、驻波区、过渡区和行波区。最后根据定义计算了开放腔的固有品质因数和有载品质因数。     

C波段磁绝缘线振荡器开放腔高频特性分析

建立了C波段磁绝缘线振荡器开放腔模型,通过监测宽带激励源的响应计算出开放腔的谐振频率和有载品质因数。用时域有限差分法计算了不同的径向位置一个周期内的径向电场随纵向距离的变化。计算表明：0~4.1 cm区电场很小但不为零;4.1~11.5 cm区域电场呈现驻波特性;在11.5~20 cm区域电场分布比较复杂,表现两个性质,一是驻波场过渡到行波场,二是从周期性加载圆柱谐振腔的TM00模过渡到同轴线的TEM模;在20~36.85 cm区域电场每经过1/4周期向右传播1/4波长,表现出行波特性。由此根据该计算结果将开放腔中的场从左到右分成4个区：截止区、驻波区、过渡区和行波区。最后根据定义计算了开放腔的固有品质因数和有载品质因数。     

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性

利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器（MILO）主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布，得出慢波结构谐振腔谐振频率的一些变化规律：随着叶片内半径的增大、叶片外半径的减小、叶片周期的减小以及叶片间距的减小，谐振腔TM01模式截止频率升高；而阴极半径的变化对截止频率几乎无影响。当主慢波结构腔内半径为4．6cm，扼流腔内半径为4．2cm，阴极半径为3cm时，MILO工作在3．“4．4GHz频率范围，扼流片可以阻止微波功率向脉冲功率源泄漏，这有利于提高器件微波输出的效率;     

单频多模磁绝缘线振荡器的3维数值模拟

为解决实验中经常遇到的输出微波频率不纯问题,提出一种新型磁绝缘线振荡器,采用2维周期慢波结构,使对称模式和低阶非对称模的工作频率相同,在模式竞争条件下得到纯频微波输出。利用3维电磁场软件计算表明,新型磁绝缘线振荡器的慢波结构的对称模式和低阶非对称模的π模谐振频率相同;3维粒子模拟计算表明,在450 kV,40 kA输入条件下,微波输出平均功率由2.4 GW提升至2.8 GW,输出模式为多种模式混合,频率为单一的1.22 GHz。     

HEM11 mode magnetically insulated transmission[2mm] line oscillator: simulation and experiment

A novel magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) in which a modified HEM₁₁ mode is taken as its main interaction mode (HEM₁₁ 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 HEM₁₁ mode which is a TM-like one that could interact with electron beams effectively; and in the coaxial output region, the microwave mode is TE₁₁ mode which has a favourable field density pattern to be directly radiated. Employing an electron beam of about 441 kV and 39.7 kA, HEM₁₁ 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 TE₁₁-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.     

Magnetically insulated transmission line oscillator oscillated in a modified HEM11 mode

This paper puts forward a novel magnetically insulated transmission line oscillator (MILO) for the first time which takes a modified HEM11 mode as its main interaction mode. The excitation of the oscillation mode is made possible by carefully adjusting the arrangements of each resonant cavity in a two-dimensional (2-D) slow wave structure. The high frequency characteristics are analyzed and a PIC simulation is carried out; the detailed results are discussed to get a better understanding of this new MILO. Employing an electron beam of about 441 kV and 39.7 kA, it finds that the modified HEM11 mode MILO generates a high power microwave output of about 1.47 GW at 1.45 GHz. The power conversion efficiency is about 8.4% and the generated microwave is in a TE11-like circularly polarized mode; its polarization direction is decided by the rotation direction of the SWS.     

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     

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.     

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。     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。     

磁绝缘线振荡器中模式竞争问题的数值模拟

为理解磁绝缘线振荡器(MILO)实验中频频出现的模式竞争问题,利用3维全电磁粒子模拟程序对C波段MILO的实验模型进行研究,探索各种非对称激励机制对产生微波模式的影响,结果显示:阴极电子随机发射、电压的慢上升前沿、较低的电压等因素都可导致非对称高阶模式的产生,并使输出微波功率大大降低。模拟计算得出MILO中存在频率为3.6 GHz左右的基模和频率分别为3.7,4.1,4.6 GHz左右的3种高阶模式,与Karat计算结果基本一致。     

Ku波段磁绝缘线振荡器的数值模拟

根据现有的慢波结构色散特性的理论分析,提出了一种Ku波段的磁绝缘线振荡器（MILO）。与常见MILO的慢波结构不同,该MILO的慢波结构通过增大扼流腔的外半径来实现扼流作用,以防止阴阳极击穿。利用3维电磁场模拟软件对Ku波段MILO的开放腔模型进行了分析,得到其谐振频率为13.536 GHz以及有载品质因数为43。同时利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,进一步优化了MILO结构,研究了输出微波的功率效率与输入电压的关系,得到的最优工作电压为600 kV。在外加电压600 kV、束流47.4 kA的情况下,模拟得到的平均功率为3.69 GW,中心频率为13.62 GHz,功率转换效率为12.6%。     

磁绝缘传输线振荡器中的次级电子倍增现象

根据磁绝缘传输线振荡器(MILO)的结构特点，建立了一个单边次级电子倍增(multipactor)模型，通过对敏感曲线、相位聚焦的计算，分析了MILO中发生multipactor的物理图象.结果表明：从聚焦区域大小看，单边发生multipactor 比双边要严重.在MILO中发生的multipactor都属于单边模式，并且有出现电子掠入射金属表面的大量机会，因此它发生multipactor比O型器件严重. 关键词： 磁绝缘传输线振荡器 次级电子倍增效应 脉冲缩短