S波段高功率径向线输出窗的设计

为进一步改进和优化高功率径向线阵列天线的拓扑结构,提高功率容量水平,并满足馈源的真空密封需求,提出并设计了一种适用于高功率径向线阵列天线的微波输出窗。该高功率径向线输出窗采用圆环形陶瓷,材料介电常数为9.4,窗片厚度为3 mm,内径为36 mm,可实现径向线阵列天线馈电系统的输入同轴波导与输出同轴波导间的真空密封。设计结果表明:在中心频率为2.856 GHz下,该径向线输出窗驻波比为1.03,插入损耗为0.17 dB,设计功率容量约150 MW。     

W波段回旋行波管输入输出段的改进设计

在回旋行波放大器的设计中,输入输出段的性能直接影响到整管输出功率、效率及增益。设计了一种采用渐变过渡段的输入耦合器来减少电子注在前端的截获,而且略微地提高了耦合特性,有效带宽达到4.06 GHz。采用二级切比雪夫渐变波导作为输出结构的耦合输出段,从仿真结果得到,在整个工作频段内,该结构中TE01工作模式的反射低于-20 dB,TE01模向杂模TE02和TE03的耦合分别在-20 dB和-30 dB以下。     

大功率宽频带G波段三次谐波放大器设计研究

针对G波段真空电子器件对大功率、宽频带信号源的需求,开展了G波段三次谐波放大器研究。该放大器利用E波段行波管非线性互作用中的三次谐波电流,通过级联谐波互作用段实现G波段电磁波放大。高性能、实用化G波段宽频带大功率源的设计方案采用非半圆弯曲波导边界折叠波导,利用微波管模拟器套装（MTSS）软件对G波段三次谐波放大器进行模拟优化,结果显示,器件在15 GHz范围内可实现谐波输出功率＞3.6 W,转换增益＞33.3 dB,电子效率＞0.36%。与其他工作在该频段的小型化太赫兹辐射源相比,谐波放大器在输出功率和带宽方面性能优越,为后续开展G波段三次谐波放大器的实际研制工作提供了设计基础。     

相对论绕射辐射振荡器的三维粒子模拟

开展了具有同轴波纹渐变式反射器与光滑漂移段结构的相对论绕射辐射振荡器的研究,并运用全三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟仿真,分析了漂移段、反射器等结构对输出功率的影响,探讨了反射器位置和输出功率的关系。仿真结果表明:合适的漂移段与反射器的引入,能大大提高输出功率。优化结构参数,在输入电压480kV下,平均输出功率达到774.5MW,平均功率效率为32.3%。     

折叠矩形槽波导行波管输入输出过渡波导

为了将槽波导端与标准矩形波导相连接,设计了一种适用于折叠槽波导结构行波管的输入输出过渡波导, 可将其视为槽宽渐变的双槽加载矩形波导。利用电磁仿真软件CST微波工作室对该结构进行仿真计算,讨论了各个结构参数对其性能的影响。对比了直线渐变、抛物线渐变和指数渐变3种槽宽渐变规律在W波段对其传输特性及损耗特性的影响。研究结果表明:指数渐变结构的驻波系数小于1.15的带宽比其他两种结构都要宽,且在90~99 GHz、驻波系数小于1.25时,该结构的整体长度也远小于另外两种结构,能够实现良好的过渡效果; 而直线渐变结构的损耗在90~97 GHz为最低。     

宽带相对论速调管放大器模拟设计

设计了一种用于S波段、工作带宽10%的相对论速调管放大器结构。该宽带管采用多间隙输入腔、两个中间腔和重叠模双间隙输出腔来拓展相对论速调管放大器(RKA)群聚段和输出段的带宽, 模拟得到基波调制深度大于80%时, RKA群聚段和输出段的带宽分别为11%和15%。整管模拟时, 通过调节注入微波频率和功率, 得到最大功率1.58 GW、3 dB相对工作带宽10%、带内微波功率不小于1 GW的输出微波。     

基于石墨烯-金属混合结构的可调超材料吸波体设计

利用石墨烯与金属相结合的方法提出了一种新型超材料吸波体结构,通过改变外加偏置电压来改变石墨烯的费米能级,在微波段分别实现了单频和宽频的振幅可调性,并阐述了其电磁吸波及振幅可调的机理。对单一频段下的超材料结构进行了模拟仿真,结果表明,当结构参数不变时,吸波体的吸收强度随石墨烯费米能级的增加而不断减小,最大调制深度达到了58.6%。当石墨烯费米能级为0eV时,吸波体的中心频率随结构参数的改变而改变。基于多吸收峰叠加扩展带宽的原理,利用不同尺寸单元的排列实现了宽频吸波的特性,并通过仿真模拟证明了该宽频吸波体具有振幅可调的性质。     

X波段同轴多注相对论速调管放大器的初步实验研究

为了提高相对论速调管放大器的工作频率和输出功率,结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点,设计了工作在X波段的同轴强流多注相对论速调管放大器,对强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的基波调制以及经过输出腔的微波提取过程进行了实验研究,得到了初步的实验结果.在输入微波功率30 kW,频率9.375 GHz,电子束电压670kV,束流5.3 kA,轴向引导磁感应强度0.8 T的条件下,得到了最大输出微波功率为420 MW,效率为12%,增益为41 dB,输出微波频率与输入微波一致.实验证实了采用同轴强流多注相对论速调管放大器实现X波段高功率微波放大的可行性,为后续更高功率研究打下了基础.     

长脉冲X波段多注相对论速调管放大器的初步实验研究

设计了工作在长脉冲的X波段同轴强流多注相对论速调管放大器, 对长脉冲强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的束流调制以及经过输出腔的微波提取等过程进行了实验研究, 采用了相应的设计措施以减轻实验中出现的脉冲缩短现象, 得到了初步的长脉冲实验结果. 在输入微波功率60 kW、频率9.378 GHz、电子束电压700 kV、束流4.2 kA、轴向引导磁感应强度1 T的条件下, 重频5Hz输出微波功率为670 MW, 脉宽89 ns, 效率为23%, 增益为40 dB, 输出微波频率与输入微波一致. 从实验上验证了几十千瓦级输入微波驱动X波段同轴多注RKA输出几百兆瓦长脉冲高功率微波的可行性, 为后续更高功率研究打下了基础.     

P波段混合型MILO的粒子模拟

 结合负载限制型磁绝缘线振荡器(MILO)和渐变型MILO的特点提出并设计了P波段混合型MILO的结构,主要以负载限制型MILO结构作为雏形,将其内部仅含有的1根提取叶片用3根长度渐变的慢波叶片组成的渐变段替换。该结构可更好地实现束波相互作用,并使提取间隙电场与MILO输出同轴结构处的电场达到更好的匹配,增加微波输出功率。器件纵向总长度为47 cm,外筒直径为44 cm。优化后的2.5维全电磁粒子模拟结果表明：在二极管工作电压550 keV、电流约57 kA的情况下,输出微波的中心频率为640 MHz,平均功率为4.27 GW,束波转换效率为13.6％,器件4 ns时起振,6 ns达到饱和,且微波输出功率十分稳定,最终输出微波模式为TEM模。     

具有坡度的同轴布喇格结构的频率响应特性

 在CST软件平台上,对具有坡度的同轴布喇格结构的频率响应特性进行了数值模拟。结果表明：具有正圆锥形坡度的同轴布喇格结构,其带宽随着所加坡度角的增大而变窄;而具有倒圆锥形坡度的同轴布喇格结构,其带宽随着所加坡度角的增大而变宽。采用窗函数技术可以有效地抑制具有坡度的同轴布喇格结构的频率响应曲线的残余旁瓣。汉明窗函数、汉宁窗函数及布拉克曼窗函数均有利于改善同轴布喇格结构作为反射器或者滤波器的性能。     

紧凑型宽带TM01-TE11模式转换器的数值模拟

 设计了一个紧凑型宽带L波段TM01-TE11模式转换器。该转换器使用同轴TEM和矩形TE₁₀模式作为过渡模式，提高了模式转换器的工作带宽，缩小了模式转换器的尺寸，并且模式转换器的输入输出同轴。建立了一个尺寸为φ20.5 cm×55.2 cm的设计模型，并进行了数值模拟。结果表明：该模式转换器工作频率为1.63~2.22 GHz时转换效率超过90%，相对带宽超过30%；在1.72 GHz处转换效率达99.8%；工作频带内反射系数小于-11 dB，最低为-26.3 dB；该模式转换器的功率容量大于1 GW。     

Microwave dielectric properties of Ba(Zn<Subscript>1/3</Subscript>Ta<Subscript>2 / 3</Subscript>)O<Subscript>3</Subscript> for application in high power waveguide window

Higher dielectric constant, low dielectric loss and good transmission characteristicshave been the goal for developing the ceramic waveguide window for high power windowapplications. The choice of materials having high k with low dielectric lossand reduced window size is key parameters to achieve maximum microwave transmissionwithout unleashing microwave dissipation. The microwave dielectric properties ofsynthesized Ba(Zn_1/3Ta_{2 /3})O₃ (BZT) ceramics have been studied for high power windowapplications. The structural studies are correlated with microwave dielectric propertiesof BZT. The maximum values of dielectric constant ?_r =30, Q ×f₀ = 102 THz and near zero temperaturecoefficient of resonance frequency were obtained for BZT ceramics sintered at thetemperature of 1550 °Cfor 4 h. The measured results are used to design a tapered transition from air filledwaveguide to narrow (reduced width and height) dielectric filled waveguide using Heckenslinear taper at a specific frequency. The simulation result shows that the lowerreflection loss is obtained for the tapered transition of the narrow BZT window ascompared to the standard waveguide BZT window. The return loss of –34 dB is obtained forS-bandwaveguide window with a bandwidth of 675 MHz. The return loss observed in the narrow BZTwindow is –46 dB with a bandwidth of 570 MHz at a center frequency of 3.63 GHz. Most ofthe disadvantages in conventional windows will be rectified using the design of the tapertransion employing narrow waveguide window in high power applications.     

用于宽带高功率微波辐射的双层贴片天线特性

 研究了用于宽带高功率微波辐射的双层贴片微带天线输入阻抗带宽和辐射特性,提出一种适合于高功率微波辐射的圆锥传输线馈电结构以减小传统馈电探针的引线感抗,使天线的功率容量提高到百MW级,同时作为同轴线到径向传输线的过渡变换,使反射系数降低近50%。通过数值计算分析了不同的介质基底厚度组合和贴片尺寸对天线带宽的影响,优化参数后的天线带宽达到了34.9%(电压驻波比小于3),带内平均增益高于6.5 dB,最大增益8.3 dB,主辐射方向上的远场辐射因子与馈入宽带脉冲幅度比值大于1.3。分析了天线的功率容量,模拟计算表明该天线可用于辐射幅值300 kV的宽带高功率微波。     

Gyrotron travelling wave amplifier: III. A proposed wide-band fast wave amplifier

A simple scheme is proposed for the construction of a wide-band fast wave gyrotron travelling wave amplifier. The key features of this scheme include a contoured waveguide, a tapered magnetic field, and injection of input signals in opposite direction of the streaming electrons. Bandwidths at tens of percents, and gain at tens of decibals, are projected.     

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The structure and its optimization of 2.45GHz high power microwave ceramic window are introduced in this paper. The structure optimization includes optimization of structure dimensions and coolant flowing rate. The microwave properties are sufficient when the thickness of ceramic disk is 4.4mm and the length of cylindrical waveguide is 52.3mm. The maximum thermal stress on the ceramic disk is far less than the limitation that ceramic disk could sustainable stress when the coolant flowing rate is 0.4t×h^-1 . Optimized ceramic window did not appear crack problem after several runs of experiments.     

X波段三重轴相对论速调管放大器的设计

分析了同轴腔体间隙束流与电场的相互作用,推导了同轴腔体间隙的耦合系数和电子负载电导,并设计了10⁴ W级注入微波驱动的X波段三重轴相对论速调管放大器,产生了GW级的微波功率输出.通过三维粒子模拟,设计了工作频率为9.37 GHz的三重轴相对论速调管放大器,在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA的条件下,获得的输出微波功率达到1.1 GW,效率为37%,增益为42 dB. 关键词： 同轴腔体 束波互作用 X波段 三重轴相对论速调管放大器     

Influence of the microwave-signal reflection on the generation efficiency of tunable gyrotrons

We estimate the decrease in the generation efficiency due to signal reflection from the microwave exit window of a wide-band gyrotron whose frequency is tuned by sequential mode excitation. The theoretical estimates are compared with the experimental data. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 42, No. 11, pp. 1092–1096, November, 1999.