毫米波静电聚焦行波管电子光学系统的设计

介绍了静电聚焦方式在毫米波行波管中的独特优势,分析了周期静电聚焦场的建立方法。基于某Ka波段行波管,首先根据指标要求设计了强流电子枪并选择类梳齿状结构作为其慢波电路,然后对电子枪和类梳齿状慢波电路组成的电子光学系统进行了模拟计算,最后对慢波电路的关键尺寸进行了容差分析。结果显示,在周期静电场的作用下,电子注全部平稳地通过了慢波系统。良好的静态通过率为后续高效率的注-波互作用奠定了基础,证明了利用静电场聚焦毫米波行波管中大电流密度电子注的可行性。     

变周期慢波系统内同步问题的研究

由于行波管的工作依赖于其慢波系统中的电子注与沿轴传输交变电磁场之间的相互作用而完成,而这样的相互作用要求沿轴传输的交变电磁场必须与电子注有着近乎同步的速度,所以慢波系统内的同步问题就成了研究行波管的一个很重要的问题.而变周期慢波系统是将一般慢波系统的周期进行变化而形成的,它可以比原周期慢波系统有着更宽的带宽,更高的互作用效率,还可以选择空间谐波.本文分析了变周期慢波系统内的空间谐波,提出了使慢波系统内的一次空间谐波一直与电子注同步所需要满足的原则,最后以变周期折叠波导为例,证明了这个原则. 关键词： 变周期 慢波系统 空间谐波 同步     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

V波段大功率带状注曲折波导行波管

利用曲折波导慢波结构和一个长宽比为3∶1的带状电子注作为注-波互作用电路,完成了对V波段大功率行波管互作用电路的设计。分析了带状电子注通道对高频特性的影响,并在综合考虑色散和耦合阻抗的情况下得到了优化的结构参数。建立了3维的V波段带状注曲折波导行波管的电路模型,并利用CST粒子工作室完成了注-波互作用的仿真研究。研究结果表明,当工作电压和电流分别为17 kV和150 mA时,带状注曲折波导行波管在58~62 GHz时的饱和平均输出功率大于160 W,增益大于34.7 dB。     

开敞型角向周期加载金属柱圆波导的注波互作用线性理论研究

提出了一种可应用于毫米波功率放大器中的新型慢波结构——-开敞型角向周期 加载金属柱圆波导结构,并且在互作用通道内,引入了薄环形电子注, 推导出了此时的"热"色散方程,并且对基于该新型慢波结构的行波管的 小信号增益特性进行了深入探讨.通过数值方法 研究了金属柱尺寸和电子注参数 对器件线性特性的影响. 结果表明: 通过对金属柱尺寸的适当设计, 可以获得更高的增益值. 与封闭型结构的比较结果表明, 开敞型角向周期加载金属柱圆波导结构能够 有效地提高小信号增益, 并且对带宽的影响不大. 研究结果为研制基于此新型慢波系统的毫米波行波管奠定了理论基础.     

基于电子注可回收能力的空间行波管慢波结构的优化设计

探索了一种行波管效率提高的优化设计方法.该方法在不降低电子效率的前提下,对慢波结构进行优化以获得互作用后电子注能量台阶状的分布,为研制高回收效率的收集极奠定基础.提出了用最大可回收效率表示的目标函数来衡量电子注的可回收能力.与单纯以电子效率为目标的慢波结构优化相比,以电子注可回收能力最大化为目标的慢波结构优化,不仅能在工作频带内提高总效率,而且行波管的非线性指标没有明显降低,小信号增益却有较大的提高. 关键词： 空间行波管 可回收能力 慢波结构 优化设计     

基于双排矩形梳状慢波结构的W波段宽频带行波管模拟研究

提出采用圆形电子注和双排矩形梳状慢波结构作为W波段宽频带行波管注波互作用回路. 对该慢波回路的"冷"态特性、输入输出结构等方面进行了模拟仿真和分析, 研究结果表明, 该结构色散特性较好, 带宽较宽; 通过调整双排矩形梳状慢波结构之间的距离和电子注通道半径的尺寸, 圆形电子注系统取得了和带状注系统相同的耦合阻抗; 且该结构传输特性较好, 优化后整管的驻波比能在较宽的频带内保持在2以下. 此外, 对该慢波系统的大信号理论计算和PIC粒子模拟结果一致. 在50 mW驱动功率下, 输出功率在10 GHz带宽内大于40 W, 增益高于29 dB.     

正交场返波管太赫兹源慢波系统

为解决正交场返波管太赫兹源慢波结构的设计问题,研究了开放式单排矩形梳齿慢波结构的色散及耦合阻抗特性并给出了设计思路及结果。利用单模近似法和数值计算得到了各几何参数对慢波结构性能的影响。结果表明:慢波周期长度可相对独立地优化耦合阻抗;设计慢波结构时可根据工作频率、加工工艺和电子枪性能确定其余三个几何参数,主要是对慢波周期长度进行调节。进一步的数值计算给出了梳齿间距在0.010~0.025 mm范围内、工作频率在300~420 GHz范围内的开放式矩形梳齿慢波结构的具体尺寸。利用粒子模拟软件对一个设计结果进行了仿真,得到的工作频率验证了冷腔分析的结果。     

双排矩形波导慢波结构W波段行波管

利用CST PIC计算了基于双排矩形波导慢波结构的W波段行波管的注波互作用,在采用10 kV,70 mA的电子注的条件下,在92~97 GHz范围内,输出功率大于35 W,增益大于30 dB,电子效率约为5%。即使在10 kV较低的电压下,双排矩形波导慢波结构的尺寸仍然较大,有利于降低制造难度。提出了一种基于电火花线切割的加工制造工艺,成功制造了双排矩形波导慢波结构部件。在92~97 GHz范围内对所需盒形窗和电子枪进行了计算机模拟,设计、加工了盒形窗和电子枪的相关零件,制造了相关部件。将慢波结构部件和输能窗部件组装起来进行了冷测,驻波比在90~100 GHz范围内小于2.067。     

毫米波行波管电子光学系统的设计

 利用基于虚边界元法的VBGUN程序和基于边界元法的MOM程序,对一折叠波导毫米波行波管的电子光学系统进行了设计。设计过程中使用计算相关性系数的方法调节参数,通过计算敏感性系数以考察加工误差带来的影响。设计过程显示：低导流系数、小束腰、高压缩比的毫米波电子枪的层流性与电极尺寸相关性很大,易受到加工误差的影响;聚束系统的设计难点在于轴上峰值磁感应强度要受到漂移管半径的限制,这一点可以通过提高工作电压和降低电流来平衡,因此它的设计必须与慢波结构的设计同时进行。     

220 GHz均匀永磁聚焦行波管电子光学系统的设计与实验研究

电子光学系统是行波管的核心部件之一,在太赫兹频段,电子束通道很小,导致高电流密度电子束的传输非常困难。基于220 GHz折叠波导行波管慢波结构设计所需束流参数,根据理论分析和电磁仿真软件,设计了一款采用均匀永磁聚焦对电子束进行约束的电子光学系统。仿真结果显示,当电子束通道直径0.3 mm、长度31 mm时,在阴阳极压差20 kV的条件下阴极发射电流141 mA,电子流通率100%。根据设计结果封接了流通管,实验结果显示,当阴阳极压差20 kV时,阴极发射电流138.5 mA,收集极电流125.5 mA,电子流通率91%。     

0.22 THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22 THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10 mA,阴极电压15 kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3 dB带宽大于12 GHz。     

脊加载螺旋槽行波管的小信号增益计算

脊加载螺旋槽行波管是一类新型毫米波大功率器件,给出了此结构中引入电子注后的“热”色散方程,并利用“牛顿”下山法求解了此复系数超越方程.通过数值计算给出了一个工作电压为20kV频率为474GHz的脊棱加载慢波结构的具体尺寸,并对此结构中小信号增益随脊尺寸的变化情况及电子注参数对其影响进行了研究,计算结果表明：此结构适宜于作为高增益窄带毫米波大功率行波管的慢波线,其3dB增益带宽为34%;为了展宽其工作带宽,可以适当减小间隙宽度,也可在一定范围内提高电子注电流.给出的理论对于研制此类行波管具有一定的指导意 关键词：     

0.22THz折叠波导行波管电子光学系统设计与实验研究

设计了一套0.22THz折叠波导行波管电子光学系统,详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程,在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下,对磁场过渡区进行了优化设计,以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化,并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真,优化后的电子光学系统发射束流10mA,阴极电压15kV,束流通过率96%。通过实验验证,流通管束流通过率93%,高频样管束流通过率94%,与设计相符。高频样管实现连续波运行,功率大于0.4 W,3dB带宽大于12GHz。     

铁电阴极相对论行波管初步研究

研究了铁电材料的电子发射特性,根据实验和数值模拟结果给出了铁电发射特性的定性解释,并指出目前的几种铁电发射理论都不足以完备地解释各种实验现象。设计了Pierce型铁电阴极电子枪,实现了束流的二级压缩,其总束流大于100 A。在此基础上,分析和设计了具有盘荷波导慢波结构的相对论行波管,得到了带宽500 MHz,增益约25 dB的X波段行波放大输出。     

相对论行波管色散特性分析

数值计算了一种填充等离子体的波纹波导结构的行波管,在强引导磁场下,被一环形相对论电子注驱动的小信号增益。详细地分析了等离子体的浓度、电子注的电压、电流及其在慢波结构中的传输位置对行波管的增益、带宽和中心频率的影响。     

140GHz大功率交错双栅行波管的设计和模拟研究

采用交错双栅结构,结合带状电子注,研究了一种工作在140 GHz频段的大功率行波管. 本振模数值计算表明该结构具有良好的色散特性和耦合阻抗.针对所采用的慢波结构, 提出了慢波过渡结构、输入输出耦合器和集中衰减器,保证了行波管的良好工作. 利用三维大信号模拟计算的方法得到的结果显示,当电子注直流功率为5.115 kW,输入信号功率为0.1 W时, 所研究的行波管能在132-152 GHz范围内提供大于300 W的峰值功率,其中在138 GHz时得到最大功率546 W, 对应增益为37.37 dB.当在0.027-0.46 W内调节输入信号功率,可以保持该行波管在128-152 GHz 频带内得到大于440 W的峰值功率,对应的电子效率大于8.6%. 结果显示该行波管将在大功率短毫米波领域具有重要意义和潜在应用价值.     

铁电阴极相对论行波管初步研究

 研究了铁电材料的电子发射特性,根据实验和数值模拟结果给出了铁电发射特性的定性解释,并指出目前的几种铁电发射理论都不足以完备地解释各种实验现象。设计了Pierce型铁电阴极电子枪,实现了束流的二级压缩,其总束流大于100 A。在此基础上,分析和设计了具有盘荷波导慢波结构的相对论行波管,得到了带宽500 MHz,增益约25 dB的X波段行波放大输出。