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%。     

可调谐相对论磁控管调谐带宽的优化

 在以10腔旭日结构为方案的可调谐相对论磁控管中,分析了热腔下对磁控管性能有重要影响的零模成分与模式隔离因素,结合零模成分的形成原因以及轴向频率分量对调谐范围的影响,提出了调整大、小腔等效阻抗和体积,开放阳极端面,从而减小零模分量及增加调谐带宽的措施。CST模拟表明,通过这些优化,可调谐相对论磁控管的调谐带宽从最初的380 MHz提高到900 MHz。     

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。     

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。     

永磁体相对论磁管的实验研究

 简要分析了永磁体相对论磁控管的主要特点与基本原理,编制了永磁系统数值计算程序,设计制作了相对论磁控管用永磁体并进行了测试。根据所得的磁场数据对相对论磁控管进行了模拟设计与实验研究。在S波段得到了430MW左右的微波输出功率。     

5.8GHz磁控管的数值模拟和实验研究

C波段高稳定度磁控管是目前磁控管的研究重点。对5.8GHz磁控管进行模拟研究,冷腔计算磁控管π模频率为5.863GHz,阳极用双端双隔模带结构磁控管的工作频率与相邻模式频率分隔度为44%。模拟磁控管输出频率为5.856GHz,输出微波功率约1.2kW。对研制的磁控管进行注入锁定实验研究,输出微波功率1.047kW,效率约为58%。磁控管锁频锁相后输出的频率和相位稳定。     

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。     

S波段永磁式相对论磁控管设计及实验研究

对S波段永磁式全腔提取相对论磁控管进行了理论设计和数值模拟研究,并对其进行了实验研究。通过理论分析初步获取相对论磁控管结构参数,并采用三维电磁仿真软件对模型进行粒子仿真优化,根据引导磁场需求设计永磁磁场产生结构。该永磁式相对论磁控管在500 kV电压输入条件下,输出微波功率1.978 GW,效率49.2%。利用实验室小型脉冲功率驱动源平台开展了初步实验研究。实验中,该永磁式相对论磁控管在脉冲驱动源驱动下获得GW级输出功率,功率转换效率约40%,实验结果与模拟结果吻合得较好。     

A6磁控管谐振系统的计算与模拟分析

 利用等效电路法和高频分析软件（HFSS）对A6相对论磁控管谐振系统进行了理论计算与模拟分析，着重考虑了相对论磁控管端帽的引入对谐振频率的影响。模拟和冷测均表明：相对论磁控管端帽的引入将对谐振频率造成一定影响，在端帽的某些尺寸下，同一模式将会分裂出两个谐振频率。这将加剧磁控管内部的模式竞争而不利于磁控管的工作。     

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。     

透明阴极实现相对论磁控管跳频的仿真北大核心CSCD

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2π模式,减少为腔体数目一半时易于工作在π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15mm,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0.75T,调节工作电压在600~800kV 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2π模式和π模式,即通过旋转透明阴极实现相对论磁控管频率跳变.     

类磁控管结构的理论分析

利用场匹配法得到了类磁控管结构的色散关系以及场函数表达式的同时, 利用高频电磁场分析软件验证了所得结果正确性, 并改变结构参数考察了截止频率的变化情况. 最终结果表明: 在保证其他参量不变的前提下,π模截止频率随外半径的减小, 内半径的增大或谐振腔数的增多而提高, 随谐振腔张角的增大而降低. 所得结果对于分析同轴辐射相对论磁控管的模式转换和传输特性奠定了基础.     

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%。     

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.     

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 TE 11 mode radiation is reported.Under a total length of ～ 0.3 m,volume of ～ 0.014 m 3,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 TE 11 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.     

相对论磁控管的实验研究

简要分析了相３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。