Ka波段带状注相对论速调管模拟研究

利用三维电磁场与粒子模拟软件对Ka波段带状注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定了腔体的冷腔高频特性,采用三维粒子模拟软件(PIC)模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明:在带状电子注电压500kV、束流1kA、宽高比40∶1,注入微波功率1.94kW和均匀聚焦磁场0.8T的条件下,获得的输出微波功率达到142MW,频率40GHz,效率28.4%,增益约48.6dB。     

3 mm波段回旋速调管放大器设计与粒子模拟

设计了一支3 mm 波段基波回旋速调管,该回旋速调管工作在低损耗的TE01模式,包含四个谐振腔。首先使用线性理论确定工作参数的大致范围, 然后采用HFSS软件设计单个谐振腔,通过调整谐振腔尺寸和腔壁介质层参数使谐振腔的谐振频率和Q值符合设计要求, 最后使用粒子模拟程序优化设计了回旋速调管的互作用电路,研究了谐振腔参差调谐方案, Q值对回旋速调管性能的影响, 互作用电路的稳定性以及电子注参数变化对注-波互作用性能的影响。PIC粒子模拟结果表明,在电子注电压65 kV, 电流6 A, α(V⊥/V∥)1.5, 工作磁场3.6 T时,回旋速调管的3 dB带宽约为600 MHz,在93.7 GHz获得139 kW 的峰值输出功率,效率为35.6%,增益为28.4 dB。模拟中没有考虑电子注速度零散的影响。     

L波段高功率多注速调管设计与模拟

 开展了峰值功率10 MW、平均功率150kW的L波段多注速调管的研究工作。采用均匀场多透镜聚焦系统对多电子注进行聚焦,获得了具有良好层流性和波动性的旁轴多注电子光学系统;采用二次谐波腔,对6个电子注、6个同轴谐振腔结构的速调管进行了注波互作用计算。结果表明,当电子注电压为115 kV,电流为132 A时,可获得大于10 MW的脉冲输出功率,大于65%的输出效率和大于45 dB的增益。     

S波段多注相对论速调管的小信号理论

多注相对论速调管利用多注电子注并行工作,各电子注在传输过程中彼此独立,利于提高注波互作用效率,抑制杂模振荡。分析多注相对论速调管的小信号理论,从谐振腔内电场的场形函数出发确定了不同腔体结构的耦合系数的计算方法,得到了不同电子注形状、注数时的基波电流分量轴向变化过程,并进行模拟验证。结果表明:同轴谐振腔的间隙耦合系数要大于圆柱腔的间隙耦合系数,采用同轴谐振腔更有利于注波互作用;电子群聚过程与每注电子注的势能密切相关,提高电子注数目有助于得到更大的基波电流分量。在电子注电压600 kV、电流5 kA、间隙电压30 kV的条件下,输入腔后的基波电流分量达800 A。     

S波段四腔相对论速调管放大器的整管性能

在速调管放大器中,中间谐振腔一方面可以提高器件的放大增益,另一方面也容易产生杂频振荡,影响器件正常工作。针对这种杂频振荡的影响,在三腔相对论速调管的基础上发展了四腔相对论速调管。采用PIC粒子模拟软件从整管上对四腔强流相对论速调管放大器的冷腔结构、束波互作用、微波提取等方面进行研究。为得到输出功率和效率的最优值,结构上采用低互作用输入腔,设计了阶梯状结构漂移管,通过对输出腔作用间歇进行优化处理抑制电子回流。模拟结果表明整管微波模拟输出功率达了3.7 GW,效率22%,增益56 dB,1 dB带宽74 MHz,并实现了对杂频振荡的抑制。     

高次模式同轴多间隙腔激励特性研究

提出了一种工作在TM₅₁-2π模式的Ka波段同轴多间隙谐振腔,使用CST本征模求解器研究了此结构的电场分布特性,并分析了基于外侧全通的耦合方式下该结构的冷腔模式特性。在此基础上,通过结合空间电荷波理论和CST三维粒子仿真分析,研究了在多电子注激励下同轴多间隙腔高次模式的起振特性,并分析了此种结构的模式稳定性与注-波互作用特性。研究结果表明:对于工作在Ka波段的TM₅₁-2π模式同轴多间隙腔,采取结构外侧全耦合的方式具有较高的模式稳定性;在此结构中,多电子注不仅会均匀激励起工作模式,也可能非均匀激励起竞争模式;不同于工作在基模的扩展互作用速调管,此种结构的速调管电场极值是分别建立的,因此激励电子注可放置在不同相位的电场极值处;在保持电子注电压、总电流不变的情况下,采取更多电子注的激励方式,需要更小的聚焦磁场。     

带状注速调管注波互作用及其计算程序的研究

针对带状注速调管中采用非轴对称性大宽高比带状电子注的特点,建立了2.5维窄带宏粒子模型,编写了注波互作用模拟分析程序.以一支百兆瓦级带状注速调管模拟设计为例,对程序的计算能力和效果进行了检验,结果与三维PIC软件有较好的可比性,且计算效率有很大幅度提升,适用于带状注速调管注波互作用系统的初步设计和参数优化过程. 关键词： 速调管 带状注 窄带宏粒子模型 注波互作用     

S波段多注相对论速调管放大器长时间运行研究北大核心CSCD

为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行,开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器(RKA)的理论模拟设计与实验研究。首先,采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA,找到了器件工作的最佳参数:采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA,获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后,采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证,获得了输出功率992 MW,器件效率为37%。最后,根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA,在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下,获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波,束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下,坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。     

Ka波段扩展互作用速调管的设计

利用粒子模拟(PIC)三维软件,在Ka波段,采用扩展互作用谐振腔技术和谐振腔加载技术来实现高增益和宽频带,对扩展互作用速调管进行了设计和粒子模拟仿真,同时采用二维电子光学软件EGUN对电子枪和聚焦系统进行了设计和优化,聚焦系统使用的是钐钴永磁聚焦。在工作电压9 kV,束流0.15 A的条件下,输入功率为200 mW时,中心频率35.5 GHz,3 dB带宽为410 MHz,最小增益为32.5 dB,得到效率为26%,其平均功率为355 W。     

高峰值功率多注速调管电子光学系统的研究

 分析了存在于高峰值功率多注速调管电子光学系统中的问题。采用间接设计方法设计了S波段50 MW多注速调管的电子光学系统。设计中采用分立屏蔽筒结构解决电子枪区聚焦场的旁轴对称问题。利用2维电子光学软件EGUN、3维电磁模拟软件MAFIA和PIC粒子模拟程序对电子轨迹进行了模拟，结果表明：分立屏蔽筒结构可以获得较好的旁轴对称场，电子光学系统的电子轨迹比较理想。     

Ku波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计

高频段相对论速调管放大器(RKA)是近年来高功率微波领域的研究热点之一,其发展主要受限于模式竞争、相位抖动和效率偏低等问题。设计了一种径向线RKA,主要由输入腔、两组非均匀双间隙群聚腔和三间隙提取腔等四部分构成。通过比较单双间隙群聚腔与电子束互作用的耦合系数,说明了非均匀双间隙群聚腔具备对电子束较强的调制能力。前端加载TEM模式反射器的非均匀双间隙群聚腔的工作在TM01-π模式,Q值较大,有利于谐振腔之间的能量隔离。采用两组非均匀双间隙群聚腔级联的方式,在注入功率仅10 kW情况下,实现短漂移管长度下电子束深度群聚达110%。粒子模拟结果表明,该器件具有效率高的优点,在电子束电压400 kV,电流5 kA,磁场强度0.4 T条件下,得到功率825 MW,频率14.25 GHz,效率41%的微波输出。     

X波段长脉冲同轴多注相对论速调管放大器的分析与设计

为了提高相对论速调管放大器的工作频率、输出功率以及转换效率, 结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点, 采用三维电磁粒子模拟软件分析与设计了工作在X波段的长脉冲同轴多注相对论速调管放大器, 通过优化设计有效地抑制了X波段长脉冲相对论速调管放大器的自激振荡, 避免了脉冲缩短现象的产生, 使X波段相对论速调管放大器在长脉冲状态下能够稳定工作, 在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA、轴向引导磁感应强度为0.8 T的条件下, 输出微波功率达到了1.23 GW, 效率为41%, 增益为42 dB.     

反馈调制型同轴虚阴极振荡器

 对反馈调制型同轴虚阴极振荡器进行了理论分析和数值模拟研究,结果表明:该器件通过增加同轴谐振腔结构并引入反馈可以对入射电子束形成明显的调制效果,从而使得器件具有高束波转化效率和频率单一稳定的特性;同时输出微波的频率被器件结构中的同轴谐振腔锁定,调节腔参数可以在一定范围内对输出微波频率进行调谐;在二极管电压约为600 kV,电子束功率26.2 GW条件下,可以得到平均功率3.6 GW的微波输出,转换效率达到13.7%,主频为5.5 GHz,模式为TM₀₂模。     

吉瓦级强流相对论多注电子束二极管的优化设计与实验研究

多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强...     

预调制型同轴虚阴极振荡器数值模拟

提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器,进行了数值模拟研究。研究表明:径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔,改变束-波互作用区的电场,对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制,同时对微波频率进行了锁定,其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计,在600 kV,73 kA无外加引导磁场的条件下,预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW,频率为2.575 GHz的微波输出,效率达到13.94%。     

多注速调管双重入式谐振腔的解析计算与仿真

 发展了一种计算多注速调管双重入式谐振腔的计算方法。根据场的等效原理将（模型等效后）腔体划分为二个规则区域，每个区域上的场由公共界面上的虚设磁流所激发。利用格林函数积分法可求得各场的分布，由相邻区域公共边界场的匹配条件得到场匹配方程，从而求解出腔体谐振频率，并采用微扰法对计算数据予以修正,同时可得到腔体另一重要参数特性阻抗。另外使用HFSS软件仿真腔体，并给出计算、仿真、实测数据比较。     

低磁场谐振腔切仑科夫振荡器-锥形放大器的初步实验研究

设计了一种能工作在低磁场高功率的慢波器件,该器件通过谐振腔将切仑科夫振荡器与锥形放大器有机地结合,充分利用电子的能量,实现了高效的微波产生.给出了初步的实验结果,在束流电压450kV,电流2.3 kA,导引峰值磁场0.6T的情况下,得到230 MW,频率为10.33 GHz,模式TM01的微波输出,效率达到23%.实验结果与粒子模拟结果基本吻合.     

X波段相对论大功率速调管放大器的高频结构模拟研究

采用MAGIC 2.5D模拟软件,建立了X波段11.424GHz相对论大功率速调管放大器的高频结构模型。该模型由5个简单药盒型谐振腔组成,包括1个输入腔、3个中间腔和1个输出腔。研究了该模型的高频特性,初步设计漂移管及各谐振腔结构参数,再结合热腔模拟,研究了输入腔的吸收匹配问题,依据各腔体对基波电流逐级调制情况,优化配合各腔体的间隙等结构参数,从而获得电子束的最佳调制状态,最后通过调节外加均匀磁场大小获得百MW功率输出,结果表明:在加速电压520kV、束电流460A、外加磁场0.4T的条件下,当注入信号功率为1kW时,基波电流调制深度达162%,最终输出功率105MW,效率43.5%,增益50dB。     

S波段大间隙速调管放大器输出腔的3维模拟

 利用3维高频软件设计了一种用于S波段大间隙速调管的膜片加载大间隙单重入输出腔,建立了带大耦合孔的输出腔3维全结构模型,采用3维PIC程序对输出腔的提取效果进行了粒子模拟。研究结果表明：膜片加载的大间隙单重入输出腔开大耦合孔后,其所有谐振频点的场分布都不再是TM ₀₁₁模式,因此,在设计此类输出腔时不能以工作频点是否谐振为优化目标。提出了大间隙输出腔设计原则,根据设计原则优化后的输出腔可稳定提取1.07 GW的平均功率,提取效率约35.7%。     

同轴相对论速调管周期永磁聚焦系统的初步研究

为了探索相对论速调管放大器(RKA)的小型化技术,开展了同轴RKA周期永磁聚焦的物理与设计技术研究。周期永磁聚焦系统采用Halbach阵列结构,产生的磁场类型为周期性会切磁场。首先给出该系统的磁场各个分量的表达式,分析该系统磁场分布的特点,并推导得出该系统聚焦强流环形电子束的稳定条件。根据该稳定条件,对Ka波段同轴RKA设计了一个周期永磁聚焦系统,并优化了周期磁场参数,确定了磁场系统设计的最佳周期和幅值。研究结果显示,周期永磁(PPM)聚焦系统在周期长度18 mm和磁场幅值0.33 T的条件下可引导500 kV、6 kA的同轴RKA,得到1 GW的微波输出功率,物理分析确定了周期永磁聚焦系统应用于高功率同轴RKA的技术可能性。