矩形波纹过模周期慢波结构色散特性及其单模工作分析

通过数值模拟,给出了一种求解矩形波纹过模周期慢波结构TM0n模的色散关系的简便方法;研究了周期慢波系统平均半径、波纹周期、波纹幅度等结构参数对本征模式色散特性的影响;讨论了周期慢波系统中表面波与体积波的存在条件;分析了过模周期慢波系统仍能工作在单模状态下的原因。结果表明,过模周期慢波系统中,当结构参数满足一定条件,且与束电压、束半径匹配,使电子束与TM01模同步点位于π模附近,此时TM01模的总场是表面波,在两种选模机制作用下系统可实现TM01单模工作。     

过模慢波结构频率反射特性及谐振腔的影响

 利用有限元方法求解:S-参数矩阵，研究了过模慢波结构对圆波导TM₀₁，TM₀₂模的反射特性，分析了在慢波结构末端加入谐振腔后，由于两端口的不对称性而造成的对反射特性影响。结果表明，在TM₀₁的π模频率附近，慢波结构和谐振腔组成的系统对无谐振腔一侧端口入射TM₀₁模的反射增大，而对有谐振腔一侧端口入射TM₀₁模的反射减小。根据计算结果，解释了普通多波切伦柯夫振荡器所用慢波结构周期数较多的原因，说明了在多波切伦柯夫振荡器中引入谐振腔后，不但可以减少所用慢波结构周期数，而且有利于提高微波输出效率。     

等离子体部分填充的波纹慢波结构中电磁波色散特性

 对有限厚环形等离子体层填充的波纹慢波结构中电磁波色散特性进行了分析。研究结果表明，对于ω＞ω_p的高频TM_0n模，模式色散曲线随等离子体密度的增加而上移；ω≤ω_p的低频等离子体模为一系列呈周期变化的密度谱，部分模式能与电子注发生较强的同步互作用。等离子体模的时间增长率随等离子体密度的增加快速增加，而TM_0n模则快速减小或缓慢增加，因此在较高的等离子体密度下，高频模式可能被抑制。     

同轴周期慢波结构色散特性的通用数值解法

 运用场匹配法和傅里叶级数理论,提出一种原则上可数值求解任意同轴周期慢波结构色散特性的方法,给出了同轴慢波结构TM_0n模的色散方程。基于该方法,编制了Matlab程序,给出了同轴波纹波导和同轴双波纹波导色散特性,以算例形式分析计算了同轴盘荷波导的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件结果进行比较,证明了该数值算法的准确性和可靠性。     

相对论返波管慢波结构的起始端设计

 对相对论返波管的慢波结构中横磁模－TM₀₁模的空间谐波系数进行了理论计算。理论上证明采用所述的4种方法构造的有限长度的慢波结构谐振腔,其一些电动力学特性可以等效为无限长结构的特性。根据慢波结构内场分布的特点和计算机数值模拟结果,提出为了提高相对论返波管的转换效率,一般选择慢波结构的起始端从波纹最深处开始。     

X波段介质和金属膜片混合加载行波加速结构的传播特性计算及模型腔的有关研究

计算了X波段(f=9.37GHz)介质和金属膜片混合加载行波加速结构的TM₀₁模和HEM₁₁模的色散曲线, 结果表明HEM₁₁模的截止频率比TM₀₁模的低, 说明与盘荷波导相比, 该种新加速结构单束团的BBU效应得到改善.实验研究优选得到了适用于该种新加速结构的介质(ε_r=5.812). 采用MAFIA程序优化设计了模型腔, 测试频率与设计的数值吻合得很好.     

引导磁场对相对论返波管微波功率的影响

 对引导磁场大小对相对论返波管(RBWO)微波功率的影响进行了理论和实验研究。首先利用KARAT软件对RBWO进行了全电磁PIC数值模拟,发现当磁场降低时,TE模与TM₀₁模的竞争导致微波功率降低,同时模拟中观察到“电子回旋共振吸收”现象,它是由于电子束与慢波结构中TM₀₁模的基波相互作用的结果;然后进行了实验研究,实验结果与数值模拟基本相符。     

高功率微波弯曲圆波导设计

 报道了可分别传输TM₀₁模和TE₀₁模的两种弯曲圆波导的设计方法和计算结果。研究表明：所设计的TM01模弯曲波导和TE₀₁模弯曲波导在中心频率上传输效率均超过99.5%,传输效率大于95%的带宽分别达到20.0%和14.4%;该两个弯曲波导也分别适用于传输TE₁₁模和TM₁₁模;水平极化TE₁₁模与TM₀₁模、垂直极化TM₁₁模与TE₀₁模在弯曲圆波导中传输时具有相似的传输效率和频带特性;而垂直极化TE₁₁模、水平极化TM₁₁模由于不易和其它模式耦合,在弯曲波导中传输时具有较高的传输效率。     

过模圆转弯波导的设计与实验

 研究了一种新型的过模圆转弯波导,可实现圆波导TM₀₁模的转弯传输。介绍了这种过模圆转弯波导的基本原理：即沿转弯平面插入一块金属板,将圆波导转换为两个半圆波导。圆波导TM₀₁模在半圆波导中转换为半圆波导TE₁₁模,经转弯传输后,重新将半圆波导TE₀₁模转换为圆波导TM₀₁模,从而实现圆波导TM₀₁模的转弯传输。基于这一原理设计了一个中心频率为2.856 GHz、转弯45°的过模圆转弯波导,并进行了数值模拟和实验研究。实验结果表明：其转弯半径为123.7 mm,转弯半径较小;在中心频点2.856 GHz处,传输损耗约为0.247 dB,驻波系数为1.217;在2.75～2.95 GHz的频率范围内传输损耗小于0.53 dB,驻波系数小于1.34。     

圆波导TE11主模辐射方向性系数的误差分析

 对不同尺寸圆波导TE₁₁模，以及TE₁₁和TM₀₁不同比例混合模式的辐射情况进行了模拟研究，得到了E面、H面功率方向图，通过高功率微波远场测量常采用的假设方向图对称的方法，计算出E面、H面方向性系数，并与模拟得到的方向性系数进行对比。结果表明：TE₁₁单模及TE₁₁模与功率占5%，10%的TM₀₁模混合情况下，H面方向性系数与模拟得到的方向性系数最大差值小于0.8 dB，E面方向性系数与模拟值最小差值大于1 dB。因此，在这些情况下，H面方向性系数更接近于方向性系数，采用H面方向性系数计算功率结果更接近实际值。     

A novel overmoded slow-wave high-power microwave (HPM) Generator

We present the design and experimental results of a novel overmoded slow-wave high-power microwave (HPM) generator that is featured by its compactness, low-operation magnetic field, and potentially high power and high efficiency. The device includes two slow-wave structure (SWS) sections, a resonant cavity, and a tapered waveguide. The resonant cavity was well designed and was used to achieve the axial mode selection and to decrease the length of the SWS sections. The radial mode selection is achieved using the property of "surface wave" of the device to excite the TM/sub 01/ mode while making the higher TM/sub 0n/ modes unexcited. The physical mechanisms of axial and radial mode selections ensure that the microwave is produced with a single mode and a narrow band. The feasibility of low magnetic field operation is also investigated based on the characteristics of the overmoded slow-wave devices. Experiments were carried out at the Spark-2 accelerator. At diode voltage of 474 kV, beam current of 5.2 kA, and guiding magnetic field strength of 0.6 T, a microwave was generated with power of 510 MW, mode of TM/sub 01/, and frequency of 9.54 GHz. The relative half width of the frequency spectrum is /spl Delta/f/f= 0.6%, and the beam-to-microwave efficiency is about 21% in our experiment.     

A high-power subterahertz surface wave oscillator with separated overmoded slow wave structures

A megawatt-level subterahertz surface wave oscillator(SWO) is proposed to obtain high conversion efficiency by using separated overmoded slow wave structures(SWSs). Aiming at the repetitive operation and practical applications, the device driven by electron beam with modest energy and current is theoretically analyzed and verified. Then,the functions of the two SWS sections and the effect of the drift tube are investigated by using a particle-in-cell code to reveal how the proposed device achieves high efficiency. The mode analysis of the beam-wave interaction region in the device is also carried out, and the results indicate that multi-modes participate in the premodulation of the electron beam in the first SWS section, while the TM01 mode surface wave is successfully and dominantly excited and amplified in the second SWS section. Finally, a typical simulation result demonstrates that at a beam energy of 313 ke V, beam current of 1.13 k A, and guiding magnetic field of above 3.5 T, a high-power subterahertz wave is obtained with an output power of about 70 MW at frequency 146.3 GHz, corresponding to the conversion efficiency of 20%. Compared with the results of the previous subterahertz overmoded SWOs with integral SWS and similar beam parameters, the efficiency increases almost 50% in the proposed device.     

0.34 THz大功率过模表面波振荡器研究

论文对0.34 THz大功率过模表面波振荡器进行了模拟设计和初步实验研究. 针对高过模比(D/λ ≈ 6.8)慢波结构, 根据小信号理论选择了合适的慢波结构尺寸和电子束距壁距离, 实现了器件在表面波TM₀₁模的π点附近谐振. 根据PIC模拟结果, 表面波振荡器可以实现频率和功率分别为0.34 THz和22.8 MW的太赫兹波输出. 采用微细电火花加工技术完成了不锈钢慢波结构的一体化精细加工, 并基于小型化脉冲功率驱动源搭建了实验装置. 初步的实验结果表明, 在电子束电压和电流分别约为420 kV和3.1 kA时, 0.34 THz大功率过模表面波振荡器输出脉冲的频率范围为0.319–0.349 THz, 辐射功率不小于250 kW, 脉宽约为2 ns. 最后分析讨论了实验输出功率与模拟结果相差较大的原因, 为表面波振荡器的性能改善奠定了基础.     

0.14 THz双环超材料慢波结构表面波振荡器数值研究

本文研究了一种太赫兹波段双环超材料慢波结构, 并具有同轴引出结构的相对论过模表面波振荡器. 设计了超材料同轴过模慢波结构; 通过色散特性, 进行了模式选择和过模结构电子束电参数和几何参数的设计; 根据超材料同轴慢波结构的特点, 设计了具有同轴引出结构的末端同轴输出段. 粒子模拟结果表明, 在电子束电压为600 kV和电流为1.0 kA, 引导磁场为2.0 T 时, 同轴超材料慢波结构过模表面波振荡器输出稳定单频的0.141 THz电磁波, 峰值功率为316.8 MW.     

渐变慢波结构的太赫兹过模表面波振荡器

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器, 获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法, 研究分析了这种复合高频结构中TM01模的谐振特性。然后采用2.5维PIC（Particle-in-cell）软件UNIPIC, 模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明：随着周期数的增加, 输出太赫兹波中的TM02和TM03等高次模成分降低, TM01模的功率比例增大至80%以上;选择合适长度的渐变慢波结构, 能使得器件输出功率增大50%。     

渐变慢波结构的太赫兹过模表面波振荡器北大核心CSCD

模拟研究了一种在均匀慢波结构后增加渐变慢波结构段的太赫兹过模表面波振荡器,获得了输出功率和模式纯度的显著提高。首先根据S参数方法,研究分析了这种复合高频结构中TM_(01)模的谐振特性。然后采用2.5维PIC(Particle-in-cell)软件UNIPIC,模拟研究了振荡器输出性能随渐变慢波结构周期数的变化关系。结果表明:随着周期数的增加,输出太赫兹波中的TM_(02)和TM_(03)等高次模成分降低,TM_(01)模的功率比例增大至80%以上;选择合适长度的渐变慢波结构,能使得器件输出功率增大50%。     

A Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator with overmoded slow-wave-structure

In order to enhance the power capacity, an improved Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator(MILO) with overmoded slow-wave-structure(SWS) is proposed and investigated numerically and experimentally. The analysis of the dispersion relationship and the resonant curve of the cold test indicate that the device can operate at the near π mode of the TM01 mode, which is useful for mode selection and control. In the particle simulation, the improved Ku-band MILO generates a microwave with a power of 1.5 GW and a frequency of 12.3 GHz under an input voltage of480 k V and input current of 42 k A. Finally, experimental investigation of the improved Ku-band MILO is carried out. A high-power microwave(HPM) with an average power of 800 MW, a frequency of 12.35 GHz, and pulse width of 35 ns is generated under a diode voltage of 500 k V and beam current of 43 k A. The consistency between the experimental and simulated far-field radiation pattern confirms that the operating mode of the improved Ku-band MILO is well controlled inπ mode of the TM01 mode.     

一种X波段过模高效率相对论返波管

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM₀₁模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM₀₁模表面波主要转化为TM₀₂模的体波,其输出微波的模式主要为TM₀₂模,占比为81%,其余为TM₀₁模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM₀₁模与TM₀₂模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离; 同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率。PIC仿真中, 在二极管电压900 kV,电流14.3 kA,得到了6.6 GW的输出功率,转换效率约51%。     

高功率O型慢波器件的纵向模式选择研究

利用传输线理论说明了由于慢波结构与其输入、输出端阻抗不匹配导致同一横模对应的不同纵模的形成;根据S参数方法，研究了过模慢波结构TM01模对应各纵模的频率、场分布和Q值，并分析了慢波结构周期数对纵模的数目、纵模间的频率间隔以及各纵模Q值的影响等.在此基础上提出在O型慢波器件中使用谐振腔，可减少慢波结构周期数，不但使器件结构更为紧凑，还可避免纵模竞争，从而提高器件效率、稳定产生微波频率. 关键词： 纵模选择 传输线理论 慢波结构 谐振腔 O型高功率慢波器件