轴对称渐变型类周期慢波结构的色散特性

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轴对称渐变型类周期慢波结构色散特性的方法。采用该方法编制了计算渐变型波纹波导和渐变型盘荷波导色散曲线的Matlab程序,详细分析并讨论了这两类典型渐变型类周期慢波结构的色散特性。数值计算结果与多维全电磁模拟软件模拟结果的数据吻合度较高,验证了该数值算法的可靠性。另外,该方法具有较强的普适性和扩展性,也可退化到任意轴对称周期慢波结构色散特性的求解,为慢波结构的设计提供一种简单有效的途径。     

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TM0n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。     

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。     

Chodorow型耦合腔慢波结构色散特性和耦合阻抗理论分析

本文建立了Chodorow型耦合腔慢波结构的解析模型, 利用并矢格林函数结合矩量法求解了场匹配方程, 给出了色散方程和耦合阻抗的计算式, 并数值计算出一个X波段Chodorow型慢波结构的高频特性. 结果表明, 本文方法的色散特性以及耦合阻抗与仿真软件HFSS计算的结果有很好的一致性, 且计算效率更高, 同时精度远高于等效电路法, 对工程设计有好的参考价值. 关键词： Chodorow型耦合腔慢波结构 色散特性 耦合阻抗 场匹配     

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TM_0n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。     

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。     

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性

利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A 模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这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。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700 keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。     

渐变型磁绝缘线振荡器色散关系的研究

渐变型同轴慢波结构是磁绝缘线振荡器的核心部分。从Maxwell方程和Floquet定理出发,导出了渐变型磁绝缘线振荡器TM模式色散曲线的表达式,并通过数值计算研究了不同结构参数下色散曲线的变化规律,为渐变段的设计提供了理论依据。     

三种同轴双波纹周期慢波结构对比研究

利用Fourier级数展开法,给出了任意几何结构的表达式的求解方法.通过数值计算,对比分析了余弦、梯形和矩形波纹慢波结构(slow-wave structure,SWS)的色散特性.根据S参数理论,研究了这三种SWS纵向模式选择的特性,提出了在同轴慢波器件中加入同轴引出结构,可减少所需SWS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.进一步通过KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序,探讨了分别采用三种SWS的相对论返波振荡器(backward-wave oscillator,BWO)的束-波作用的物理过程,设计了一种紧凑型、吉瓦级、同轴L波段BWO,分析了不同形状SWS的选取原则.在此基础上,开展了初步实验研究：在二极管电压为670 kV,电子束流为107 kA,引导磁场为075 T的条件下,输出微波峰值功率约为102 GW,微波波形半高宽为22 ns,功率转换效率约为142%,频率为161 GHz.     

渐变螺距螺旋线慢波系统高频特性的仿真分析

 为实现渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的高精度估计,基于MAFIA仿真平台,研究了螺距变化对超宽带螺旋线慢波系统(4~18 GHz)的色散、互作用阻抗与衰减常数的影响,获得了各高频参数随螺距变化的规律。研究表明：相速几乎随螺距增大而线性变大,互作用阻抗与螺距是非线性的关系,衰减常数随螺距增大而非线性地减小;由于在维持电子注与电磁波速度同步的限制下,螺距变化的幅度不可能很大,因此可近似按线性关系来处理互作用阻抗及衰减常数与螺距之间的关系。由此提出了一种可精确计算渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的方法－线性插值法     

渐变螺距螺旋线慢波系统高频特性的仿真分析

为实现渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的高精度估计,基于MAFIA仿真平台,研究了螺距变化对超宽带螺旋线慢波系统(4~18 GHz)的色散、互作用阻抗与衰减常数的影响,获得了各高频参数随螺距变化的规律。研究表明：相速几乎随螺距增大而线性变大,互作用阻抗与螺距是非线性的关系,衰减常数随螺距增大而非线性地减小;由于在维持电子注与电磁波速度同步的限制下,螺距变化的幅度不可能很大,因此可近似按线性关系来处理互作用阻抗及衰减常数与螺距之间的关系。由此提出了一种可精确计算渐变螺距螺旋线慢波结构高频参数的方法－线性插值法     

新型自由矩形螺旋线慢波结构高频特性

在Sheath模型下,采用严格的场匹配法,结合积分形式的边界条件,推导了自由矩形螺旋线的色散方程和耦合阻抗表达式,并与近似理论进行对比。结果表明:与近似理论相比, 严禁场匹配法具有更高的准确性,且采用场匹配法的数值计算结果与3维商业电磁仿真软件结果吻合得很好。从而证明了所采用理论方法的有效性。同时分析了矩形螺旋线横截面尺寸、螺距、螺旋角、纵横比对色散特性和耦合阻抗的影响,结果表明：只有当矩形螺旋线横截面纵横比大于4时,才可忽略横截面的宽度对高频特性的影响,通过调节结构的参数可以改善色散和提高耦合阻抗。     

新型自由矩形螺旋线慢波结构高频特性

 在Sheath模型下,采用严格的场匹配法,结合积分形式的边界条件,推导了自由矩形螺旋线的色散方程和耦合阻抗表达式,并与近似理论进行对比。结果表明:与近似理论相比, 严禁场匹配法具有更高的准确性,且采用场匹配法的数值计算结果与3维商业电磁仿真软件结果吻合得很好。从而证明了所采用理论方法的有效性。同时分析了矩形螺旋线横截面尺寸、螺距、螺旋角、纵横比对色散特性和耦合阻抗的影响,结果表明：只有当矩形螺旋线横截面纵横比大于4时,才可忽略横截面的宽度对高频特性的影响,通过调节结构的参数可以改善色散和提高耦合阻抗。     

沟道板慢波电路的高频特性

 提出了一种适用于毫米波行波放大器的慢波电路——沟道板慢波电路,该慢波电路的基本结构与沟道梯型慢波电路相似,但其环与金属壁间使用金属板相连。使用场论方法分析了沟道板慢波电路,得到的色散结果与CST的模拟结果之间的误差在1.5%以内。计算表明,沟道板慢波电路与沟道梯型慢波电路的耦合阻抗特性相似,且沟道板电路的色散相对较弱,具有更宽的带宽。     

O型契伦柯夫器件慢波结构高频特性

理论推导了电磁波在半无限长直波导和均匀慢波结构交界面上的反射系数表达式,得到反射系数模值和相位随电磁波的纵向相移常数和慢波结构末端相位的变化关系。运用传输线理论以及反射系数的理论计算结果,得到了有限长慢波结构的纵向谐振条件,可以分析各种情况下有限长慢波结构的纵向谐振特性。计算了一种有限长慢波结构的纵向谐振频率,理论预测与数值仿真结果基本一致。对于一种非均匀慢波结构的数值计算结果表明,其纵向谐振模式对应的频率、场分布与相应的均匀慢波结构接近,因此仍可根据提出的纵向谐振条件对非均匀慢波结构进行分析。