G波段扩展互作用速调管的理论分析与设计

扩展互作用速调管是一种在毫米波、亚毫米波频段具有广泛应用前景的电真空器件.本文基于运动学理论、感应电流定理和电荷守恒定律,推导一间隙到五间隙谐振腔的电子负载电导和电子负载电纳的表达式,分析了谐振腔间隙宽度、间隙数和间隙周期等参数对电子注与微波之间能量交换的影响和谐振腔谐振频率的影响.根据理论分析结果,采用三维电磁仿真软件设计了一款工作于G波段的扩展互作用速调管,仿真结果显示,当电子注电压为24 kV、电流为0.15 A、输入功率为200 mW、轴向引导磁感应强度为0.8 T时,在中心频率217.94 GHz处,输出功率为225.5 W,电子效率为6.26%,增益为30.5 dB, 3 dB带宽约为470 MHz.     

W波段带状注扩展互作用速调管放大器的理论研究与数值模拟

带状注扩展互作用速调管具有高峰值功率和高平均功率的特点,是一种具有广泛应用前景的电真空器件.基于电子流振荡理论,在小信号条件下推导了纵向模式为2π模的三间隙谐振腔的电子负载电导和电子负载电纳的表达式,分析了等离子体频率、间隙宽度和相邻间隙中心之间的距离等参数对电子负载电导和电子负载电纳的影响.根据理论分析结果,结合三维电磁仿真软件完成了一款工作于W波段的带状注扩展互作用速调管放大器的模拟设计.电子注横截面尺寸为4 mm×0.32 mm时,在工作电压为19.5 k V,电流为3.5 A,输入功率为1 W,轴向引导磁场为0.85 T的条件下,频率94.47 GHz处得到输出功率为5773 W,增益为37.6 d B,电子效率为8.46%, 3 d B带宽约140 MHz.     

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。     

Ka波段带状注相对论扩展互作用速调管放大器的分析与设计

带状注相对论扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的微波毫米波放大型器件, 具有广阔的应用前景. 本文分析了扩展互作用结构多间隙谐振腔的渡越时间效应, 推导了2π模场情况下谐振腔的能量交换系数和电子负载电导, 且通过计算表明工作在2π模式三间隙腔的电子负载电导是单间隙腔的9倍左右, 多间隙结构有利于提高器件效率. 利用三维粒子仿真软件, 对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用速调管放大器进行了模拟研究, 采用宽高比为30:1的带状电子束以降低空间电荷效应, 在电子束电压为500 kV, 束流为1 kA, 轴向引导磁感应强度为0.8 T的情况下, 器件输出微波功率为190 MW, 频率为40 GHz, 器件效率为38%, 器件增益为69 dB.     

G波段扩展互作用速调管宽带注波互作用系统研究

扩展互作用速调管采用多间隙分布作用谐振腔和全金属平面结构,互作用电路短、单位长度增益高,其平面化结构特征与现代微加工工艺相兼容,已成为发展太赫兹高功率源的研究热点,进一步展宽扩展互作用速调管放大器的带宽成为拓展其应用的关键技术问题。设计了一种G波段5腔多间隙注波互作用电路,采用参差调谐技术扩展群聚段带宽和滤波器加载技术扩展输出段带宽,通过CST软件对结构参数优化和输出特性模拟仿真,结果表明:在电子注电压19 kV,电流300 mA,输入功率120 mW时,获得输出功率222 W,电子效率3.89%,增益32.67 dB,3 dB瞬时带宽达到了1.5 GHz。     

L波段高功率多注速调管设计与模拟

 开展了峰值功率10 MW、平均功率150kW的L波段多注速调管的研究工作。采用均匀场多透镜聚焦系统对多电子注进行聚焦,获得了具有良好层流性和波动性的旁轴多注电子光学系统;采用二次谐波腔,对6个电子注、6个同轴谐振腔结构的速调管进行了注波互作用计算。结果表明,当电子注电压为115 kV,电流为132 A时,可获得大于10 MW的脉冲输出功率,大于65%的输出效率和大于45 dB的增益。     

8 mm二次谐波回旋速调管谐振腔设计研究

 结合回旋速调管研究的相关理论,考虑到高次谐波工作时带来的模式竞争,以及注-波互作用的耦合关系,讨论了在半径、腔长、杂模抑制以及腔内媒质涂层的介电参量等诸多因数影响的情况下,如何设计二次谐波回旋速调管谐振腔的问题。结合设计方法建模,优化设计出了5个适于8 mm二次谐波工作的谐振腔,通过漂移段连接成两种高频结构,其中一种结构在注-波互作用非线性模拟中取得了251 kW的输出功率,电子效率 23.9%,增益 27.2 dB,3 dB带宽大于0.4%;另一种结构初步取得了246 kW的输出功率,其它参数正在测试之中。     

毫米波速调管电子光学系统的研究

电子光学系统是毫米波速调管长寿命和整管性能实现的关键,毫米波速调管零件尺寸较小,为了在Ka波段和W波段实现千瓦量级的输出功率,要求具有高的电子注通过率及低的阴极负荷。对Ka波段和W波段电子光学系统特性进行了分析,确定了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的设计方案,利用软件对电子枪和聚焦系统的结构进行计算,并采用CST仿真软件对设计的电子枪发射的电子注在聚焦磁场中的状态进行优化。设计出的Ka波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压26 kV,发射电流2 A,互作用区长度30 mm,磁场强度大于0.6 T,流通达到100%。设计的W波段速调管电子光学系统,电子枪工作电压17 kV,电流0.65 A,互作用区长度20 mm,磁场大于0.9 T,流通达到100%。已制成Ka波段速调管和W波段速调管,设计的电子光学系统能够满足速调管工程化需求。     

S波段多注相对论速调管的小信号理论

多注相对论速调管利用多注电子注并行工作,各电子注在传输过程中彼此独立,利于提高注波互作用效率,抑制杂模振荡。分析多注相对论速调管的小信号理论,从谐振腔内电场的场形函数出发确定了不同腔体结构的耦合系数的计算方法,得到了不同电子注形状、注数时的基波电流分量轴向变化过程,并进行模拟验证。结果表明:同轴谐振腔的间隙耦合系数要大于圆柱腔的间隙耦合系数,采用同轴谐振腔更有利于注波互作用;电子群聚过程与每注电子注的势能密切相关,提高电子注数目有助于得到更大的基波电流分量。在电子注电压600 kV、电流5 kA、间隙电压30 kV的条件下,输入腔后的基波电流分量达800 A。     

带状注速调管高频结构的初步研究

 利用3维软件设计并模拟了适用于X波段高功率带状注速调管的“Ⅱ”形谐振腔,根据模拟结果分析了腔体各尺寸对电场均匀性的影响;建立了平面对称结构的3维高频互作用系统模拟平台,应用此平台讨论了扼流器法和漂移管窄壁开槽法这两种抑制漂移管中非工作模式的方法;分析了漂移管的尺寸及漂移头对谐振腔内场分布的影响。研究表明：波导高度、耦合腔宽度和高度对带状注速调管谐振腔间隙的电场均匀性影响较大;而波导长度和宽度、耦合腔长度对该电场均匀性影响不大;腔体连接处加上漂移头可使场分布更加集中;该型带状注速调管谐振腔能够产生均匀的电场,为提高注波互作用效率奠定了基础。     

X波段三重轴相对论速调管放大器的设计

分析了同轴腔体间隙束流与电场的相互作用,推导了同轴腔体间隙的耦合系数和电子负载电导,并设计了10⁴ W级注入微波驱动的X波段三重轴相对论速调管放大器,产生了GW级的微波功率输出.通过三维粒子模拟,设计了工作频率为9.37 GHz的三重轴相对论速调管放大器,在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA的条件下,获得的输出微波功率达到1.1 GW,效率为37%,增益为42 dB. 关键词： 同轴腔体 束波互作用 X波段 三重轴相对论速调管放大器     

长脉冲X波段多注相对论速调管放大器的初步实验研究

设计了工作在长脉冲的X波段同轴强流多注相对论速调管放大器, 对长脉冲强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的束流调制以及经过输出腔的微波提取等过程进行了实验研究, 采用了相应的设计措施以减轻实验中出现的脉冲缩短现象, 得到了初步的长脉冲实验结果. 在输入微波功率60 kW、频率9.378 GHz、电子束电压700 kV、束流4.2 kA、轴向引导磁感应强度1 T的条件下, 重频5Hz输出微波功率为670 MW, 脉宽89 ns, 效率为23%, 增益为40 dB, 输出微波频率与输入微波一致. 从实验上验证了几十千瓦级输入微波驱动X波段同轴多注RKA输出几百兆瓦长脉冲高功率微波的可行性, 为后续更高功率研究打下了基础.     

基于同轴TM812模谐振腔的毫米波多注速调管

 研究了群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率和同轴TM₈₁₂模谐振腔中微波能量的提取方法,论证了其作为毫米波多注速调管的输出腔的可行性。研究结果表明:理想群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率可达3.29%,一般群聚电子注穿越同轴TM₈₁₂模谐振腔的换能效率可达1.86%;采用同轴TM₈₁₂模谐振腔与沿轴向的同轴线耦合可以实现微波能量的提取;在输出腔工作频率为100.945 GHz,外观品质因数为2 243情形下,根据估算,最大输出功率可达15 kW。     

一种新的高功率微波折叠式谐振腔径向速调管振荡器

 提出一种高功率微波折叠式谐振腔径向速调管振荡器，用电子与电磁场相互作用的一维单电子模型分析了这种折叠式谐振腔径向速调管振荡器的特点。其特点为：径向尺寸小，起振电流低。用二维半PIC程序对折叠式谐振腔径向速调管振荡器进行数值模拟研究。结果表明，当二极管电压为380kV，电流为18kA时，输出微波功率峰值为1GW，主要微波频率为1.52GHz，输出微波为多频率成分微波。通过折叠式谐振腔的电子束得到很强的调制。     

带状注速调管多间隙扩展互作用输出腔等效电路的研究

带状注扩展互作用速调管(SBEIK)结合了带状注速调管与扩展互作用速调管的优势,在微波和毫米波真空电子器件中具有显著的技术潜力.本文提出了应用于SBEIK的五间隙哑铃型扩展互作用耦合腔输出回路的等效电路模型,获得了建立复杂多间隙扩展互作用腔的等效电路理论的方法.通过推导出的理论,快速确定了五间隙扩展互作用耦合腔的工作模式、谐振频率及间隙阻抗矩阵,由间隙阻抗的频率特性曲线快速估算出各模式对应的带宽,分析研究了耦合系数k以及Q e对于多间隙腔模式频率间隔及带宽的影响.此外,利用三维PIC仿真软件对相应的SBEIK五间隙输出腔高频特性进行了粒子模拟,结果表明,三维仿真获得的工作模式带宽特性与等效电路法计算结果基本一致,证明了本文所建立的等效电路方法的准确性和有效性.     

W波段分布作用速调管的研制

简要介绍了一种W波段分布作用速调管的设计思路、设计方案和模拟结果,并给出了该管的测试结果。该管采用大压缩比圆柱电子枪和永磁聚焦系统,阴极电压17 kV,阴极电流0.78 A;高频系统由5间隙和11间隙(输出腔)的分布作用腔组成,采用长短槽梯形结构。样管实现了脉冲输出功率大于2 kW、带宽500 MHz、增益40 dB、工作比5%等指标。     

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求,设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器,建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构,降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式;设计采用多腔多间隙群聚结构,降低了输入微波功率的需求,提高了器件放大增益;并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构,提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计,粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW,器件放大增益约为60 dB,功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV,电流5.1 kA的情况下,输出功率为0.99 GW,放大增益约为53 dB,转换效率约为35%。     

相对论速调管中间腔与调制电子束间的非线性互作用

在强流相对论电子束驱动的相对论速调管放大器中, 由于强流和高场强的影响, 尤其是中间腔具有高Q值, 微波腔与电子束之间的非线性作用很明显, 严重影响器件性能. 根据麦克斯韦方程组以及电子在微波场作用下运动方程给出了中间腔的束-波互作用自洽方程. 从这些方程出发, 研究了调制深度和调制频率对间隙电压幅度和相位的影响. 对比常规速调管的等效电路模型, 自洽公式给出的间隙电压幅值同粒子模拟结果更接近, 尤其是较高调制深度的情况. 同时器件带宽随调制深度的增加而变宽, 这也同粒子模拟结果一致. 由此设计了一个S波段高增益相对论放大器, 在LTD (长脉冲螺旋线)加速器上开展了相应的实验工作, 实验上获得了1.1 GW的输出功率, 器件增益49 dB. 关键词： 相对论速调管 非线性互作用 自洽方程     

G波段500 W带状注扩展互作用速调管设计研究

针对太赫兹频段实现高功率面临物理机制上的难题,设计了一个G波段带状注速调管,展示了基于非相对论带状电子注和扩展互作用技术所能达到的功率水平以及影响性能的物理因素。文中设计基于电压24.5 kV、电流0.6 A,1 mm×0.15 mm的椭圆电子注,以及与之相匹配的互作用系统,即横向过尺寸哑铃型多间隙谐振腔,可以实现高功率和高增益。三维PIC仿真结果显示,在考虑实际腔体损耗的情况下,能够获得超过500 W的功率,电子效率和增益分别达到3.65%和38.2 dB。研究发现,输出功率和效率的提升很大程度上受到多间隙腔模式稳定性以及电路欧姆损耗的制约;输出腔的欧姆损耗对输出功率影响尤为显著,工程设计需要特别考虑。本文的研究为高频段带状注扩展互作用器件的研发打下了良好的基础。