W波段二次谐波回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是一种具有高功率、高频率、宽带宽的毫米波放大器，TE₀₂模二次谐波回旋行波管放大器在保持基波回旋行波管放大器的基础上极大地减小了工作磁场,从而具有广阔的应用前景. 利用两段分布式损耗的互作用结构，有效抑制了绝对不稳定性和回旋返波振荡,避免了模式互作用电路引起的模式畸变，提高了输出功率，在一定程度上克服了谐波互作用较弱的缺点，满足了扩展功率容量和放大器长时间稳定工作的要求. 非线性模拟结果和粒子模型(particle in cell)模拟结果均表明，在工作电压为100k 关键词： W波段 二次谐波 回旋行波管放大器     

W波段回旋行波管螺旋波纹波导色散分析

对螺旋波纹波导回旋行波管的色散特性进行了研究,通过理论分析推导了螺旋波纹波导的色散方程。进一步对色散曲线进行了数值计算,并着重分析了几何结构参数变化对其色散特性的影响, 由此得到了合理的结构参数。同时利用三维电磁仿真软件CST模拟计算了在该参数下螺旋波纹波导的本征模式并与理论结果作对比,误差小于3%。     

W波段回旋行波管螺旋波纹波导色散分析

对螺旋波纹波导回旋行波管的色散特性进行了研究,通过理论分析推导了螺旋波纹波导的色散方程。进一步对色散曲线进行了数值计算,并着重分析了几何结构参数变化对其色散特性的影响, 由此得到了合理的结构参数。同时利用三维电磁仿真软件CST模拟计算了在该参数下螺旋波纹波导的本征模式并与理论结果作对比,误差小于3%。     

W波段TE02模式回旋行波管带宽输入耦合器设计

输入耦合器是回旋行波管的重要组成部分之一,其作用是将矩形波导TE₁₀模式的信号,通过模式变换结构转换为回旋放大器件中的模式,输入耦合器性能的优劣直接影响了回旋管整管的带宽等性能。通过对W波段TE₀₂模式回旋行波管的输入耦合器进行理论分析,指出影响主模传输损耗的一个因素是杂模的崛起使主模的传输系数降低,利用仿真软件进行仿真,通过优化耦合孔的尺寸,抑制杂模的产生,将损耗从3.9 dB降低到了0.8 dB。根据优化尺寸加工,实际测试,得到3.0 dB带宽7.9 GHz的输入耦合器,与设计符合较好。     

W波段回旋行波管收集极热可靠性设计

利用粒子模拟软件和热分析软件,对W波段回旋行波管收集极区的电子轨迹和热分布进行了仿真计算。通过对收集极磁场参数的优化,调节了收集极区的电子分布,使得电子轰击区域从17.05cm2增加到28.52cm2,提高了67%,从而降低了单位面积的功率密度。通过对收集极内壁热分布的仿真分析,确定了1kW/cm2的功率密度及1.12L/s的冷却水流量,以确保收集极内壁温度低于材料熔点,不会产生物理损坏,使得收集极能够稳定工作,保证了管子的工作稳定性。通过热仿真计算验证了优化方案的可行性,并已应用于实际。     

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。     

8 mm基波回旋行波管放大器的设计

对8 mm基波回旋行波管放大器进行了研究。通过稳定性分析,选定了放大器的工作参数。利用PIC粒子模拟程序对放大器中的电子注-波互作用过程进行了详细的分析和讨论,获得了回旋行波管稳定工作的物理图像,完成了8 mm基波回旋行波管放大器高频系统的初步设计。模拟结果表明,在优化设计条件下,放大器可以获得大于450 kW的输出功率、50 dB增益、22.5%的效率和大约5％的3 dB带宽。     

8mm基波回旋行波管放大器的设计

对8 mm基波回旋行波管放大器进行了研究。通过稳定性分析,选定了放大器的工作参数。利用PIC粒子模拟程序对放大器中的电子注-波互作用过程进行了详细的分析和讨论,获得了回旋行波管稳定工作的物理图像,完成了8 mm基波回旋行波管放大器高频系统的初步设计。模拟结果表明,在优化设计条件下,放大器可以获得大于450 kW的输出功率5、0 dB增益、22.5%的效率和大约5%的3 dB带宽。     

W波段回旋行波管绝对不稳定性的分析

 绝对不稳定性是制约回旋行波管性能的主要因素之一。通过回旋行波管色散方程,详细分析了W波段基波回旋行波管绝对不稳定性的形成和特征,提出了采用多段损耗波导来抑制绝对不稳定性的方法。分析表明,绝对不稳定性的起振存在一定阈值,起振电流对电子注参数和电路参数极其敏感,确定起振电流是稳定器件工作的前提条件。通过PIC模拟,给出了采用无损耗波导结构,且工作电流为25 A和10 A条件下的放大器频谱图和功率图,结果表明绝对不稳定性的出现与否主要由工作电流是否超过起振的阈值电流决定,损耗波导是抑制绝对不稳定性的有效手段。     

W波段折叠波导行波管振荡抑制

为了抑制W波段折叠波导行波管研制中的自激振荡,保证行波管正常放大工作,分析了折叠波导慢波结构中反射振荡、返波振荡和带边振荡的产生原因,开展了折叠波导行波管振荡抑制技术研究,通过优化设计和工艺研究采用周期跳变作为关键技术用于W波段折叠波导行波管的研制。通过模拟检验和实验验证,证明采用了振荡抑制技术后行波管自激振荡得到了有效的抑制,W波段脉冲行波管在20%占空比时脉冲输出功率大于100 W,带宽大于5 GHz。     

Ka波段二次谐波损耗波导回旋行波管非线性分析

建立了由损耗段和铜段组成的波导结构的Ka波段二次谐波回旋行波放大器理论模型,并进行了非线性理论研究。基于稳定性分析,确定35 GHz TE02模二次谐波回旋行波放大器的基本工作参数:波导半径为1.02 cm,电子注工作电压为90 kV,工作电流为25 A,工作磁场为0.642 6 T,横纵速度比为1.2;然后通过模拟详细分析了工作电流、波导损耗和速度零散等因素对该放大器性能的影响。研究表明：在该结构中损耗段可以有效地抑制模式竞争从而提高输出功率和带宽;工作电流对输出功率的影响存在最大值;速度零散对输出功率有很大的影响。     

基于多目标遗传算法的回旋行波放大器分布式损耗参数优化

通过使用多目标遗传算法对回旋行波放大器加载分布式损耗的电阻率和厚度参数进行优化,得出了两个参数的最佳组合值：损耗层厚度0.116 mm,电阻率为铜的77 882倍,此时放大器达到最大增益15.9 dB。并且通过单目标遗传算法对该值的准确性进行了验证,使得放大器在有效抑制回旋返波振荡的同时实现了增益的最大化。     

分布损耗对回旋行波放大器稳定性的影响

基于电磁模式的色散方程和回旋管非线性理论,研究了损耗层厚度对回旋行波放大器注-波互作用的影响.结果表明,合理选择损耗层电导率和厚度能够让期待的工作模式TE₀₁衰减较小,而对应的竞争模式TE₂₁因损耗很大而更难以起振,随厚度的增加,放大带宽从两边向中间收缩变窄,频带中间部分的输出功率会上升,曲线更加平坦,从而达到改善互作用稳定性的目的. 关键词： 回旋行波放大器 起振长度 起振频率 饱和功率     

具有分布损耗波导结构的回旋行波放大器绝对不稳定性

详细推导了具有分布损耗波导结构的回旋行波放大器的色散特性。通过绝对不稳定性振荡出现的条件,给出求解具有损耗波导结构回旋行波管放大器的绝对不稳定性起振电流的数值计算方法。研究结果表明：绝对不稳定性起振电流与损耗波导的集肤深度有关,选择有较大的集肤深度的损耗波导可以提高绝对不稳定性起振电流;绝对不稳定性起振电流同时也与工作磁场偏离饱和磁场的程度以及电子束的纵横速度比有关;通过设计具有分布损耗波导结构的注-波互作用电路,以及工作磁场、电子束的纵横速度比,可以在兼顾带宽、效率的条件下,保证回旋行波管放大器稳定工作。     

回旋行波放大器输出端反射对注-波互作用的影响

基于回旋行波放大器的非线性自洽理论,研究渐变输出端反射对回旋行波放大器注-波互作用的影响.数值模拟结果表明,对于Ka波段TE₀₁模基波工作回旋行波放大器,渐变输出端渐变角的变化以及互作用长度的改变将导致不同的反射系数幅度和相位,从而影响注-波互作用过程,改变功率演化过程.在输出饱和功率不变的情况下,合理选择输出渐变角,可能可以减小注-波互作用长度,展宽互作用频带. 关键词： 回旋行波放大器 注-波互作用 反射系数     

具有分布损耗波导结构的回旋行波放大器绝对不稳定性

 详细推导了具有分布损耗波导结构的回旋行波放大器的色散特性。通过绝对不稳定性振荡出现的条件,给出求解具有损耗波导结构回旋行波管放大器的绝对不稳定性起振电流的数值计算方法。研究结果表明：绝对不稳定性起振电流与损耗波导的集肤深度有关,选择有较大的集肤深度的损耗波导可以提高绝对不稳定性起振电流;绝对不稳定性起振电流同时也与工作磁场偏离饱和磁场的程度以及电子束的纵横速度比有关;通过设计具有分布损耗波导结构的注-波互作用电路,以及工作磁场、电子束的纵横速度比,可以在兼顾带宽、效率的条件下,保证回旋行波管放大器稳定工作。     

W波段连续波30 kW回旋振荡管高频系统和收集极的设计

根据回旋管的电子回旋脉塞理论,借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序,设计出了工作频率94 GHz、工作电压30 kV、工作电流3 A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管,工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0 kV、电流3.0 A、速度横纵比1.5的条件下,获得了31.8 kW的输出功率,电子效率约35％。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析,模拟结果表明：借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸,并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500 W/cm2; W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明：利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。     

W波段边廊模回旋管准光模式变换器的研究与设计

详细研究并设计了一个由Vlasov螺旋开口辐射器和两级曲面反射器组成的边廊模回旋管准光模式变换器.首先采用几何光学理论研究了设计的Vlasov型准光模式变换器的工作机理,在此基础上,再利用矢量绕射理论中的口径场积分法和表面电流积分法编写了模拟仿真程序,最后结合W波段边廊模回旋管的具体设计参数,应用所编写程序详细分析了工作模式在此变换器中的模式变换过程.模拟结果表明,W波段回旋管中的TE_12,2边廊模在输出窗处被转换为能量集中的准Gauss波束.