宽带大功率螺旋线行波管返波振荡研究

在一维场论注-波互作用理论的基础上,引入磁场对角向速度的影响,建立了二维非线性返波注-波互作用理论,模拟返波振荡.对不同空间电荷参量下起振长度的变化进行了小信号分析比较,结果与等效线路模型比较接近;对某8—18 GHz行波管进行了实测比较,结果也比较一致.同时还研究了影响返波振荡起振长度的因素,提出了该管的抑制返波振荡方案.     

太赫兹波段Smith-Purcell辐射的介质加载光栅高频特性

提出了一种用于Smith-Purcell效应器件的介质加载光栅慢波结构,通过研究该结构的注-波互作用过程,推导出带电子注的色散方程,并数值求解出波的线性增长率.利用色散方程,结合电磁场传播的边界条件,推导出Smith-Purcell效应振荡器工作所需的起振电流.详细研究了高频结构长度、电子注主要参数和介质相对介电常数对起振电流的影响,并与普通金属光栅结构进行了比较.结果表明:保持其他参数不变时,高频结构长度越短,起振电流越大;保持高频结构参数不变时,起振电流随电子注厚度和注-栅距离的增大而增大,随电子注电压的增大而减小;与金属光栅相比,介质的引入提高了注-波互作用的增长率,有效减小了振荡器的起振电流.理论计算结果与软件CHIPIC的模拟结果比较符合.     

螺旋线行波管三维返波互作用理论与数值模拟

建立了三维非线性返波互作用模型,用于精确分析大功率螺旋线行波管中返波振荡非线性过程问题,并提出了计算返波振荡功率的方法及磁场抑制手段.该理论模型包括三维线路场方程、三维运动方程以及三维空间电荷场.首先比较三维模型与原有一维模型之间的差异,发现一维空间电荷场的径向交流电流分布模型与三维模型的差异是导致振荡频率偏大及起振长度缩短的主要原因.然后计算返波饱和输出功率大小并揭示返波饱和功率和振荡频率与互作用长度的关系,并探讨了磁场对返波振荡的抑制影响.最后以某一毫米波行波管为例,实验对比了一维与三维模型计算的振荡频率与热测的差异,其中三维模型的相对误差小于4.8%.     

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     

回旋速调管注波互作用瞬态非线性理论与模型研究

本文利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注-波互作用进行了时域瞬态分析,建立了多腔回旋速调管非线性理论,给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程.探讨了调制腔、中间腔、和输出腔中注-波互作用的模型和研究方法,考虑了电子速度零散对注-波互作用的影响.最后利用FORTRAN语言给出并分析了一支Kα波段四腔回旋速调管注-波互作用的数值计算结果,经与实验值和PIC模拟结果相比较,三者较为符合. 关键词： 回旋速调管 电子注-波互作用 瞬态非线性理论     

回旋行波放大器输出端反射对其稳定性的影响

 基于回旋行波放大器的线性理论和反射边界条件,建立了渐变输出端存在反射时回旋行波放大器模型,分析了TE₀₁圆电模基波回旋行波放大器输出端反射对其增益、返波起振长度、返波起振电流和返波起振频率的影响。结果表明,随着反射增强,线性增益降低,返波起振长度和起振电流减小,返波起振频率的变化较小;反射增强将在一定程度内影响放大器的稳定性。     

低增益kW级mm波螺旋线行波管高频结构设计

根据固态器件的发展和返波振荡抑制的特点,针对kW级mm波螺旋线行波管设计了低增益高频结构,通过切断、螺距渐变和添加衰减器的方式对返波振荡进行了抑制。通过微波仿真软件对其色散特性、耦合阻抗特性进行了模拟计算;通过三维大信号注波互作用计算软件进行了注波互作用计算与优化,并使用粒子模拟(PIC)软件进行了计算。结果显示,在频带29~31GHz范围内,输出功率达到1002 W,增益大于21dB,电子效率大于16.8%,返波振荡得到抑制。     

螺旋线行波管返波自激振荡的研究

 在2维小信号模型的基础上，分析了均匀和周期永久聚焦磁场对抑制返波自激振荡的影响。研究结果表明：改变聚焦磁场的幅值或周期来增加起振长度是可能的， 而且不会改变基波的互作用条件。与此同时，对起振长度、初始非同步速度参量随皮尔斯增益参量、空间电荷参量、损耗参量等的变化，以及在超宽带行波管中当存在两个或多个角向非对称空间谐波时,起振长度、初始非同步速度参量随周期永久聚焦磁场的变化进行了研究。优化设计聚焦磁场、电子注和螺旋线慢波系统的参量可以对螺旋线行波管的稳定性分析提供必要的依据。     

170GHz兆瓦级同轴回旋振荡管的分析计算

回旋管是最有希望应用于正在实施的国际热核实验反应堆计划的微波源器件,然而研究设计符合要求的回旋管还存在很多困难需要解决.对170 GHz兆瓦级光滑同轴回旋管的注-波互作用进行了研究.选取模式谱相对稀疏的TE31,12作为工作模式,利用Matlab编制源程序,计算了同轴回旋管的注-波耦合系数、起振电流.在考虑电子速度零散、腔壁电阻率和单模近似的基础上,对光滑同轴谐振腔的优化设计和注-波互作用进行了仿真,给出了磁场、电压、电流和内导体倾角等参量与回旋管效率的关系.结果表明,电压和磁场对回旋管效率影响较大,电子速度零散对回旋管效率影响较小,因而可降低电子枪的设计要求.此外,优化内导体倾角和同轴谐振腔结构参数可提高注-波互作用效率,降低电子速度零散对互作用效率的影响,获得了约50%的电子效率及1.7 MW输出功率.     

分布损耗加载回旋行波管多模稳态注波互作用理论与比较证实

基于目前国际上实验研究的均匀介质加载和周期介质加载结构,建立了一种分布式损耗加载回旋行波管(gyro-TWT)多模稳态注波互作用理论.利用这一理论,以TE01模式基波gyro-TWT注波互作用为例,将Ka和W波段的理论结果与实验和软件仿真进行比较,以证实理论的合理性.     

Theoretical models for designing a 220-GHz folded waveguide backward wave oscillator

In this paper,the basic equations of beam-wave interaction for designing the 220 GHz folded waveguide(FW)backward wave oscillator(BWO) are described.On the whole,these equations are mainly classified into small signal model(SSM),large signal model(LSM),and simplified small signal model(SSSM).Using these linear and nonlinear one-dimensional(1D) models,the oscillation characteristics of the FW BWO of a given configuration of slow wave structure(SWS) can be calculated by numerical iteration algorithm,which is more time efficient than three-dimensional(3D)particle-in-cell(PIC) simulation.The SSSM expressed by analytical formulas is innovatively derived for determining the initial values of the FW SWS conveniently.The dispersion characteristics of the FW are obtained by equivalent circuit analysis.The space charge effect,the end reflection effect,the lossy wall effect,and the relativistic effect are all considered in our models to offer more accurate results.The design process of the FW BWO tube with output power of watt scale in a frequency range between 215 GHz and 225 GHz based on these 1D models is demonstrated.The 3D PIC method is adopted to verify the theoretical design results,which shows that they are in good agreement with each other.     

Effect of Attenuator on BWO Start Oscillation Condition in a Helix Millimeter Wave TWT Under Magnetic Focusing

In a practical helix millimeter wave traveling-wave tube (TWT), there are always magnetic focusing system for constraining the electron beam as it passes through the interaction region and attenuator for suppressing the oscillations, including backward-wave oscillation (BWO) and improving the output power. In view of the attenuator and magnetic focusing system, a 2D linear theory is employed to analyze BWO start oscillation condition. Numerical results show that the start oscillation length of the millimeter wave TWT decreases when the start position of the attenuator is close to the input section of the slow wave structure (SWS), and that it increases with the decrease of the attenuation length or the increase of the attenuation quantity. Therefore, in order to predict the BWO accurately, we should take into the attenuator and magnetic focusing system account.     

同轴波纹返波管色散特性研究及粒子模拟

 计算了同轴波纹慢波结构的色散特性，分析了波纹周期长度、波纹幅值大小以及同轴内导体半径对慢波结构色散特性的影响。研究表明内导体的存在使系统截止频率升高,系统尺寸可比普通波纹波导慢波系统更大, 并且可以采用大半径电子注并工作在低磁场状态。运用Magic软件对同轴波纹返波管进行了数值模拟, 发现同轴波导内场分布有利于注波互作用,在数值模拟基础上设计出高效率、低磁场的非均匀同轴波纹返波管,互作用效率达60%,聚束磁场小于1 T。     

行波管多信号非线性注波互作用的网络并行计算

 把网络并行计算技术应用于微波管的研究领域，提出了用于计算2.5维行波管多信号非线性注波互作用的基于TCP/IP协议的网络并行计算模型，编写了模拟行波管多信号非线性注波互作用过程的网络并行计算程序，其可在工作站和微机组成的计算机网络环境中实现并行计算。计算结果表明，该网络并行算法能够有效地减少行波管多信号非线性注波互作用的计算时间，提高工作效率。     

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     

矩形螺旋线行波管注-波互作用3维模拟

 运用3D粒子模拟软件MAGIC分析了矩形螺旋线行波管(TWT)的注 波互作用过程。模型设计了电导率线性渐变的电阻耦合器代替同轴输入输出结构来减少反射,消除自激震荡。仿真结果表明： 矩形螺旋线TWT模型能够进行有效的注 波互作用,完全可以反映管内互作用的非线性本质,证明了模型设计的合理性,并对影响注 波互作用的一些重要参量进行了讨论。设计的X波段TWT可达到的指标为：工作频率8~12 GHz,输出功率峰值达480 W,3 dB带宽为4 GHz,电子效率为11.8%。     

Particle-In-Cell Simulations from a X Band Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator

A high-power x-band coaxial relativistic backward wave oscillator has been conceptually designed and analyzed. The TM_on dispersion relations in the coaxial corrugated cylindrical waveguide used in the device was calculated. MAGIC,an electronmagnetic particle-in-cell code, is being used to investigated the nonlinear beam-wave interaction and other design optimization issues. Preliminary simulation results shows that the coaxial BWO can generate 2. 2 GW peak power microwave at 10. 15GHz in the TM₀₂ mode driven by a 600-KV 20-KA electron beam, the peak power efficiency is about 18%.     

磁绝缘线振荡器内气体碰撞电离数值模拟

针对气体碰撞电离过程,介绍了蒙特卡罗碰撞（MMC）的处理方法,利用MMC方法编写了气体碰撞电离模块,将其移植到3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE之中,模拟了充有He气的磁绝缘线振荡器（MILO）。模拟结果表明:当He气密度较低时,电离的正离子由于较重无法自由移动,形成了正离子通道,可以有效中和电子束空间电荷场,有利于电子束传输和群聚,提高了束波互作用效率,微波输出功率得到了明显提高,起振时间也有所缩短;当进一步增加He气密度时,电离碰撞增强,电子和离子数目会雪崩式增长,电子束由于碰撞增强而导致能散度增大,其负效应已经远大于中和空间电荷场的正效应,反而不利于电子束的群聚和共振,从而导致输出微波功率降低乃至截断,起振时间缩短是由于其在非雪崩阶段的正效应积累所致,但是随着负效应的增强起振功率不能得以维持,二极管最终将闭合。另外,还模拟了MILO填充空气、水蒸气及二氧化碳等多原子、多组分气体的碰撞电离物理过程。模拟结果显示,同压强情况下,填充空气、水蒸气及二氧化碳的脉冲缩短现象要比填充He气等较低原子序数气体的情况严重得多。     

大功率太赫兹返波管振荡器设计北大核心CSCD

设计了一个过模太赫兹返波管振荡器,通过对慢波结构的精心设计,使电子束动能得到充分提取,实现器件的大功率及高效率运行。在电子能量和束流分别为280keV和320A的条件下,当引导磁场强度为3T时,采用2.5维Particle in Cell(PIC)程序模拟得到频率为121.8GHz、功率为13MW的太赫兹波输出,器件的束波转换效率约为14.5%。     

新型低阻抗同轴慢波器件模拟研究

提出一种新型的低阻抗同轴慢波器件,它利用阳极金属网将二极管区与波束互作用区分开,并在波束互作用区采用内外双盘荷波导慢波结构以提高波束互作用效率。利用全电磁粒子模拟软件进行优化设计,结果表明:在输入电功率100 GW、电流95.4 kA的条件下,同轴慢波器件可在L波段获得23 GW的平均输出功率,功率转换效率达到23%。该器件无需外加磁场,结构简单,小型轻便。同时还对阳极金属网的温升状况进行了简单的估算。