行波管中慢电磁行波与电子注非线性互作用普遍理论

在同时考虑多信号输入和相对论效应的情况下，利用波导激励理论获得了行波管中慢电磁行波与电子注非线性互作用的全三维自洽工作方程组，包括激发方程、运动方程、能量转化方程、相位演化方程等，适合大部分行波管中慢电磁行波与电子注的非线性互作用过程.利用该理论具体分析了一个宽带螺旋线行波管在多信号输入时的交叉调制，并与实验结果进行了比较，验证了理论和计算的正确性.另外，还模拟了一个相对论盘荷波导行波管中的非线性注波互作用过程. 关键词： 行波管 慢电磁行波 非线性注波互作用 交叉调制     

螺旋线行波管三维频域非线性注波互作用的计算

基于行波管中慢电磁行波的周期传输特性和能流坡印廷定理,考虑高频结构的衰减、切断、螺距的渐变与跳变对互作用的影响,建立了螺旋线行波管三维场论非线性自洽工作方程组.通过傅里叶展式将时域中的电流变换为与频率相关的交流电流分量,采用等离子体粒子模拟的方法,求解离散化的亥姆霍兹方程获得空间电荷场的三维数值解.计算三维电子轨迹,得到精确的互作用后的电子能谱结构,为多级降压收集极的设计提供关键参数.计算结果与电子所Ku波段的测试值比较具有较好的一致性,并分析了互作用后的电子能谱结构,与多级降压收集极的实验基本符合. 关键词： 行波管 非线性注波互作用 空间电荷场 等离子体粒子模拟     

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%.     

螺旋线行波管三维多频非线性理论分析和数值模拟

建立了螺旋线三维多频非线性互作用模型.通过场论的方法建立线路场方程,结合粒子模拟（PIC）方法和谐波展开法,建立三维空间电荷场模型.模拟了8—18GHz宽带行波管的基波和高次谐波,计算了AM-AM幅度失真和AM-PM相位失真,三次交调和五次交调分量.通过频率扫描得到的8—18GHz饱和输出功率和饱和增益,结果与热测结果接近,且饱和输出功率误差在1dB以内. 关键词： 注波互作用 三维 非线性 螺旋线行波管     

等离子体-腔混合模耦合腔行波管非线性注-波互作用分析

 用模式展开的方法分析了等离子体-腔混合模耦合腔行波管的非线性注-波互作用过程，导出了其考虑相对论效应的非线性注-波互作用自洽工作方程组。用格林函数法求解各向异性背景等离子体（介电常数张量）下的空间电荷场。编写了计算机模拟软件，用来分析等离子体-腔混合模耦合腔行波管的增益、效率、输出功率、瞬时带宽等重要的非线性特性，计算结果表明：工作在等离子体-腔混合模式下的耦合腔行波管，瞬时带宽达到20%~30%，效率达到50%以上。     

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.     

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。     

利用等效电路模型计算耦合腔行波管注-波互作用

通过研究Curnow等效电路模型,得到进行单腔计算的矩阵方程,进而获得线路场方程, 结合运动方程和空间电荷场方程,从而推导出耦合腔行波管一维注波互作用非线性理论模型. 该理论能计算任意的切断、跳变、渐变等结构以及多信号模拟.利用该理论编制的软件计算了 59 GHz-64 GHz耦合腔行波管AM-PM相位失真,三阶互调以及五阶互调分量. 同时模拟得到了59 GHz-64 GHz带内饱和输出功率分布,理论结果与热测结果误差在5%以内.     

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。     

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。     

Small-signal analysis of a rectangular helix structure traveling-wave-tube

This paper investigates the properties of traveling wave-beam interaction in a rectangular helix traveling-wave-tube (TWT) for a solid sheet electron beam. The `hot' dispersion equation is obtained by means of the self-consistent field theory. The small signal analysis, which includes the effects of the beam parameters and slow-wave structure (SWS) parameters, is carried out by theoretical computation. The numerical results show that the bandwidth and the small-signal gain of the rectangular helix TWT increase as the beam current increases; and the beam voltage not obviously influences the small signal gain. Among different rectangular helix structures, the small-signal gain increases as the width of the rectangular helix SWS increases, however, the bandwidth decreases whether structure parameters a and L or ψ and L are fixed or not. In addition, a comparison of the small-signal gain of this structure with a conventional round helix is made. The presented analysis will be useful for the design of the TWT with a rectangular helix circuit.     

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%。     

螺旋坐标系下考虑厚度的螺旋线行波管小信号研究(英文)

采用螺旋坐标系对有限厚度的螺旋带行波管进行了注波互作用的线性理论分析,利用自洽场理论得出了此结构中引入电子注后的"热"色散方程,数值计算了其小信号增益,分析了电子注参数和螺旋线厚度对于螺旋线慢波系统的色散特性的影响。结果表明:螺旋线厚度的增加,行波管的小信号增益也会增加,且带宽也略有增加。该结论为高增益宽频带的螺旋线行波管放大器的设计提供了理论基础。     

Self-consistent field theory of a helix traveling wave tubeamplifier

A self-consistent relativistic field theory of a helix traveling wave tube (TWT) is presented for a configuration in which a thin annular beam propagates through a sheath helix enclosed within a loss-free wall. A linear analysis of the interaction is carried out, subject to the boundary conditions imposed by the beam, helix, and wall. A detrimental dispersion equation is obtained which implicitly includes beam space-charge effects without recourse to a heuristic model of the space-charge field. The equation is valid for arbitrary azimuthal mode number and is solved numerically for the azimuthally symmetric case. The coupled-wave Pierce theory is recovered in the near-resonant limit. Numerical comparisons between the complete dispersion equation and the Pierce model are described. A discrepancy is found between the Pierce and the field theory even for low currents in the nominally ballistic regime, owing to the dielectric effect of the beam on the helix modes     

Nonlinear time-dependent simulation of helix traveling wave tubes

A one-dimensional nonlinear time-dependent theory for helix traveling wave tubes is studied. A generalized electromagnetic field is applied to the expression of the radio frequency field. To simulate the variations of the high frequency structure, such as the pitch taper and the effect of harmonics, the spatial average over a wavelength is substituted by a time average over a wave period in the equation of the radio frequency field. Under this assumption, the space charge field of the electron beam can be treated by a space charge wave model along with the space charge coefficient. The effects of the radio frequency and the space charge fields on the electrons are presented by the equations of the electron energy and the electron phase. The time-dependent simulation is compared with the frequency-domain simulation for a helix TWT, which validates the availability of this theory.     

Large Signal Analysis and Computation for Millimeter Wave TWTs

The large signal operating equations are described by charge plate model in traveling wave tube (TWT). The large signal nonlinear equations have been solved by calculating inductive current of electron beam, circuit voltage exited by electron beam, beam velocity and phase affected by circuit field. The calculating results are given for Ka-band TWT in the paper.     

Field theory of a traveling wave tube amplifier with a tape helix

A self-consistent relativistic field theory for a helix traveling wave tube (TWT) is presented for a configuration in which a magnetized pencil beam propagates through a tape helix enclosed with a loss-free well. A linear analysis of the interaction is solved subject to the boundary conditions imposed by the beam, helix, and wall. The wave equation for the fields within the electron beam corresponds to the Appleton-Hartree magnetoionic wave modes that are of mixed electrostatic/electromagnetic polarization. Hence, the determinantal dispersion equation that is obtained implicitly includes beam space-charge effects without recourse to a heuristic model of the space-charge field. This dispersion equation includes azimuthal variations and all spatial harmonics of the tape helix. Solutions that correspond to both the extraordinary (X) and ordinary (O ) solutions for the Appleton-Hartree modes are found numerically     

螺距和磁场强度与周期的跳变在Ka波段行波管中的应用

以弱色散特性的扇形金属-介质夹持杆螺旋线慢波结构的Ka波段行波管作为研究对象,进行了互作用特性仿真研究。采用螺距跳变和磁场跳变技术进一步提高了该行波管在工作频带的输出功率和电子效率,并解决了电子注散焦问题。设计结果表明:当工作电压为9 kV、工作电流为210 mA时,行波管在24~40 GHz整个频带内,各频点的增益在37.7~48.7 dB之间,电子效率在15.18%~19.42%之间,输出功率大于286 W。此结果较之均匀周期的设计结果,电子效率增幅在4.19%以上,输出功率增长率在4.3%以上,尤其在26~37 GHz范围内,电子效率增幅达到了11.8%以上,输出功率增长率达11.9%。