W波段回旋行波管放大器的模拟与设计

回旋行波管放大器是高功率毫米波雷达发射系统最重要的候选者.通过对回旋行波管放大器中的绝对不稳定性、回旋返波振荡以及电子注-波互作用的研究，讨论了回旋行波管的稳定性、寄生模式的抑制和工作参数的优化等问题，给出了W波段TE₀₁模回旋行波管放大器的模拟设计结果.PIC粒子模拟结果表明，在电子注电压100kV、电流10A、工作磁场3.52T时，94GHz的基波回旋行波管放大器可获得大于250kW的输出功率、40dB的增益、大于25％的效率和约5％的带宽. 关键词： W波段 回旋行波管放大器 模拟 设计     

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     

介质加载回旋行波管互作用结构

 分布式介质加载技术已被成功应用于回旋行波管的高频结构,该结构对于回旋行波管的自激振荡起到很好的抑制作用。对采用分布式介质加载的Ka波段,工作模式为TE₀₁模的回旋行波管进行了稳定性分析;计算了介质加载条件下工作和寄生模式的传播损耗,以及不同传播损耗下工作模式的起振电流;对不同介质加载条件和工作电流,给出了三个主要寄生模式的起振长度;在对介质加载回旋行波管工作和寄生模式稳定性综合分析的基础上,确定了介质加载厚度及相对介电常数等参数。利用优化设计的高频结构及介质加载参数,进行了整管热测实验,得到了输出功率160 kW,饱和增益40 dB,效率22.8%及3 dB带宽5%的回旋行波管。     

回旋管双阳极磁控注入枪的边界元法计算

 根据边界元法建立物理与数学模型,编制了计算磁控注入枪的程序。使用该程序设计和模拟一个工作在35 GHz,70 kV,10 A基波回旋行波管放大器的双阳极磁控注入枪,获得较好的模拟结果。并对电子注在不同工作电压和磁场下的质量进行了分析计算。计算表明,边界元法在分析回旋器件电子光学方面是一种非常有效的方法。     

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波段螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用的非线性分析

回旋行波管是下一代高分辨率成像雷达、高速率远程通信等电子系统首选的高功率电磁波辐射源,在国防安全方面具有重要的战略意义,研究发现,螺旋波纹波导回旋行波管具有较大的带宽,较高的电子效率及稳定性,本文从有源麦克斯韦方程组出发,系统地推导了螺旋波纹波导的色散方程及非线性注波互作用理论,数值计算结果与已有的实验报道基本相符,在此基础上,设计了W波段螺旋波纹回旋行波管,工作电压为80kV,工作电流为5A,中心频率为95GHz,3dB带宽约4.5%,饱和增益为52dB,最大输出功率为142kW,电子效率达20%—35%.最后,本文计算了电流、电压及输入功率的改变对W波段螺旋波纹波导回旋行波管输出性能的影响。     

基于损耗介质加载波导的回旋行波管放大器的互作用分析

损耗介质波导对提高回旋行波管放大器的稳定性等性能具有积极的作用.本文基于损耗介质波导中工作模式的场表达式,推导出电子回旋脉塞互作用线性理论.通过系统的数值计算发现损耗介质波导与光滑金属圆波导中的工作模式从场型分布和色散关系上都具有一一对应关系;通过Laplace变换,利用互作用线性理论计算工作模式的起振场型和阈值,并研究互作用系统磁场、电流和介质层对放大特性的影响.这些研究成果对促进损耗介质在回旋行波管放大器中的运用和高稳定性回旋行波管放大器的发展具有积极的作用.     

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。     

Kα波段TE01模基波回旋速调放大器的设计与实验

在回旋速调放大器自洽非线性大信号理论分析和数值计算的基础上,给出了一支Kα波段TE₀₁模4腔基波回旋速调放大器的设计方案,并完成了样管的研制.同时对样管进行了热测实验,得到了如下实验结果:注电压为70 kV,电流为10 A,输入功率为60 W,磁场强度1.31 T,中心频率34 GHz,峰值功率245 kW,平均功率大于3 kW,增益36.1 dB,效率 35%,3 dB带宽大于280 MHz. 关键词： 回旋速调放大器 注-波互作用 群聚腔 输入腔     

W波段螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用的非线性分析

本文从有源麦克斯韦方程组出发, 系统地推导了螺旋波纹波导的色散方程及非线性注波互作用理论, 数值计算结果与已有的实验报道基本相符.在此基础上,设计了W波段螺旋波纹回旋行波管, 工作电压80 kV, 工作电流5 A, 中心频率95 GHz, 3 dB带宽约4.5%, 饱和增益52 dB, 最大输出功率142 kW, 电子效率达20%-35%.最后,本文计算了电流, 电压及输入功率的改变对W波段螺旋波纹波导回旋行波管输出性能的影响.     

Transmission of a spherical sound wave through a single-leaf wall: Mass law for spherical wave incidence

This paper examines the sound insulation of a single-leaf wall driven by a spherical wave. The transmitted sound field of an infinite elastic plate under a spherical wave incidence is theoretically analyzed and insulation mechanisms are considered. The displacement of the plate is formulated using the Hankel transform in wavenumber space and the transmitted sound pressure in the far-field is obtained by Rayleigh’s formula in an explicit closed form. Moreover, a reduction index is also derived in a closed form by introducing an approximation into the vibration characteristics of the plate. Deterioration of the insulation performance under the spherical wave incidence is caused by an apparent decrease of wall impedance that depends on the directivity of the transmitted sound wave. The mass law for a spherical wave incidence is different from that for a normal plane wave incidence: doubling the weight of the wall or the frequency gives an increase of 3 dB (c.f. 6 dB for a normal plane wave incidence), which is also smaller than the field incidence mass law.     

Novel optical controllable terahertz wave switch

We study theoretically and demonstrate experimentally light controllable terahertz wave switch. When the modulated optical excitation source is used to irradiate a high resistivity silicon wafer, a novel controllable terahertz wave switch is achieved. The results show that the ON-OFF response time is less than 150 ms and the attenuation of the novel terahertz wave switch is more than 20 dB at frequency of 0.315 THz.     

偶极子接收换能器驻波场校准系统的研究

本文研究了设计偶极子接收换能器的驻波场校准系统，利用该系统可以实现偶极子类型接收换能器的校准，包括接收灵敏度及偶极子方向性的测量，频率范围为２０－２０００Ｈｚ校准误差小于１ｄＢ。     

Terahertz wave narrow bandpass filter based on photonic crystal

We designed a narrow bandpass terahertz wave filter using photonic crystals with a line defect. An inserted linear defect in one-dimensional photonic crystal structures for a channeled filtering in the terahertz range are studied and designed theoretically. By using transfer matrix method, we examined the transmittance spectra for the proposed terahertz wave filter has a 3 dB transmission loss bandwidth of 20 MHz ranging from 0.29998 THz to 0.30001 THz. The simulated results show that a very narrow transmission band and high transmission (higher than 99.99%) centered at λ₀, and very sharp edges can be achieved.     

Design of the novel steering-wheel micro-structured optical fibers sensor based on evanescent wave of terahertz wave band

In this paper, we present design of a hollow micro-structured photonic crystal fiber with novel steering-wheel pattern of noncircular large holes in cladding as platform for evanescent-field sensing. Based on simulation, confinement loss is less than 0.007 dB/m, and 72% of light intensity overlaps in noncircular large air holes is obtained when the incident wave frequency is 1 THz, and the nonlinear effects of the short-distance transmission are very small simultaneously. The critical value of confinement losses increases with the structure parameters. As for ultra-low loss and high sensitivity of the model, the novel steering-wheel structured fiber is well suited for evanescent-field sensing and detection of chemical and biological products.     

相对论返波管注入锁相的数值模拟

给出了一种基于梯形慢波结构的相对论返波管结构,并采用2.5维全电磁PIC粒子模拟软件对其前端注入锁相进行了模拟研究。注入功率从二极管区注入相对论返波管中,注入功率50 kW,注入比$48.3dB时,返波管输出的相位抖动在±20°范围内,并拟合了返波管相位抖动与注入功率之间关系,给出了判断返波管相位抖动大小的经验公式。注入功率提高至120 MW,注入比$14.5 dB时,注入信号对相对论返波管输出的频率实现了牵引。     

共焦波导结构回旋行波管的设计与仿真

针对0.14 THz大气窗口,利用CST微波工作室和3维粒子模拟软件,对共焦波导结构的太赫兹回旋行波管进行了冷腔色散和注波互作用的模拟研究。以TE06模式作为互作用工作模式,在电压为35 kV、电流为2 A、横纵速度比为0.85的电子束参数下,当输入信号为1 W时,得到最高2 kW的微波功率输出,3 dB带宽为3.5 GHz,增益为30 dB。     

超声光栅测声速的方法运用到液体表面波波速的测量

理论上分析了超声光栅衍射和液体表面波光栅衍射,得到了表面波光栅衍射图样与表面波参数的解析关系.实验上得到清晰的衍射图样,利用表面波光栅衍射法测量了液体表面波波速,实验结果与理论值误差不超过1%.     

失谐驻波管及其极高纯净驻波场性质的研究

由直径不同的两级直圆管连接而成的两级突变截面驻波管具有失谐性,即高阶共振频率不是一阶共振频率的整数倍. 两级突变截面驻波管的失谐性质能够很好地抑制一阶共振频率激励下的大振幅非线性驻波畸变产生的高次谐波,从而获得大振幅纯净驻波场. 通过对两级突变截面驻波管失谐性质的研究,采用大功率扬声器正接等措施,利用两级突变截面驻波管的失谐性质在一阶共振频率激励下获得了184 dB的极高纯净驻波场,并对二至五阶共振频率激励下的声场进行了相应的实验研究. 在二阶、四阶共振频率激励下分别获得了180和166 dB波形比较规整的大振幅非线性驻波,并在三阶、五阶共振频率激励下观察到了谐波饱和现象和锯齿波. 关键词： 失谐驻波管 大振幅驻波 畸变 饱和