同轴波导虚阴极振荡器二极管参数优化的研究

采用粒子模拟研究了同轴波导虚阴极振荡器二极管参数对微波效率和频率的影响,得到了由二极管参数改变引起的二极管阻抗变化及其对微波效率的影响规律. 借鉴具有慢波结构的高功率微波器件中微波模式特性阻抗的计算方法,给出同轴波导虚阴极振荡器中微波主模式特性阻抗的理论计算公式. 将理论计算结果与由粒子模拟对器件进行优化后得到的二极管阻抗进行比较,发现当反映电子束特性的二极管阻抗与微波主模式特性阻抗匹配时,虚阴极振荡器具有较高的束波功率转换效率. 进一步用特性阻抗对其他几种典型结构的虚阴极振荡器进行分析,验证了该方法的合理性,为设计高效率虚阴极振荡器提供了理论指导. 关键词： 虚阴极振荡器 同轴波导 二极管参数 特性阻抗     

重复频率X波段类周期加载微波腔的实验研究

在CHP-01加速器上对我所提出的X波段类周期加载微波腔进行了实验研究. 在实验中,首先对加速器进行了调试,使其能够稳定运行;然后对磁场、电压等参数与微波输出的关系进行了研究; 最后在二极管电压约为790kV、电流约为6.7kA时得到了微波输出功率为1.4GW、微波频率为9.4GHz、微波脉宽为30ns、束波转换效率为26%的实验结果.     

强流电子二极管中阴极等离子体的膨胀

强流真空电子二极管是一种可以利用场发射的方法获得脉冲电流数kA到数MA的电真空装置，在强流加速器、高功率微波等领域得到广泛应用。强流电子真空二极管中，由于阴极材料气化和离子化等因素产生了阴极等离子体。阴极等离子体以一定速度向阳极运动，改变二极管阴阳极间实际间隙大小，并影响进一步引出电子束时二极管状态，从而影响引出束参数。     

S波段分离腔振荡器的数值模拟与设计

通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO),并建立了基于爆炸发射的阴极模型,对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为：在二极管电压为495 kV,电流为3.93 kA时,输出高功率微波的功率为640 MW,微波频率为2.85 GHz,功率效率为33.0%。同时,还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响,初步研究结果表明：除了栅网的通过率,SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感,对应一定的二极管阻抗,需有一个最佳的电压值与之匹配;三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。     

S波段分离腔振荡器的数值模拟与设计

通过粒子模拟的方法设计了分离腔振荡器(SCO),并建立了基于爆炸发射的阴极模型,对带有真实二极管结构的SCO进行了整体的粒子模拟研究。典型的数值模拟结果为:在二极管电压为495 kV,电流为3.93 kA时,输出高功率微波的功率为640 MW,微波频率为2.85 GHz,功率效率为33.0%。同时,还研究了二极管输入电压幅度及波形、阴-阳极间距、阴极半径等参数对SCO输出高功率微波特性的影响,初步研究结果表明:除了栅网的通过率,SCO对二极管阻抗、阴极半径等参数也比较敏感,对应一定的二极管阻抗,需有一个最佳的电压值与之匹配;三角波电压波形会明显降低SCO的功率效率。     

真空二极管辐射微波的机理分析

在研究真空开关的过程中,发现真空二极管能辐射出宽带微波.这种器件只由带触发装置的阴极和平板阳极组成,不存在金属波纹慢波结构,所以真空二极管的辐射机理与等离子体填充微波器件不同,不能直接套用等离子体填充微波器件的相关理论.本文描述了真空二极管产生辐射的物理过程,建立了真空二极管辐射的数学模型,通过求解波动方程得到产生辐射的色散关系,并绘制出了色散曲线.将理论分析得到的色散曲线与已经测得的微波辐射进行比较,两者能很好地符合.理论分析和实验结果表明,电子束和磁化等离子体的相互作用是真空二极管产生微波辐射的原因.     

二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响

在强电场条件下,由阴极通过场致发射产生的电子具有很强的空间电荷效应,因此真空二极管的空间电荷限制电流是设计高功率微波源等强流电子束器件时需要考虑的重要参数.场致发射电流密度只和阴极材料、阴极表面电场等有关,而空间电荷效应则会受二极管电压、间隙距离等因素的影响.为研究二极管间隙距离对场致发射过程中空间电荷效应的影响,建立了由场致发射阴极构成的一维平板真空二极管物理模型,利用第一性原理的粒子模拟方法,研究了二极管间隙距离和外加电压等参数变化时的阴极表面电场随时间的演变特性,得到了阴极表面稳态电场和二极管间隙距离之间的关系.结果表明,场致发射过程开始后,阴极表面电场先有个振荡过程,随后趋于稳定;在同一外加电场条件下,间隙距离越长,稳态电场的绝对值越小,且达到稳态所需的时间也越长;间隙距离越短,当阴极表面电场达到稳定状态时,二极管间隙区的电场分布变化越剧烈.     

阶梯阴极型L波段MILO的实验研究

对阶梯阴极型L波段磁绝缘线振荡器（MILO）进行了实验研究。介绍了测试方法与测试系统;开展了阴极电子发射实验,发现阴极电子发射不均匀是对称结构MILO产生非对称微波模式的最关键的因素之一;并对二极管屏蔽环尺寸、扼流片半径、提取间隙等进行了研究。在电子束电压约420 kV、电流33 kA的条件下,得到了阶梯阴极型L波段MILO的高功率微波辐射功率为1.22~1.47 GW,脉宽大于20 ns,频率为1.21 GHz,束波转换效率约为10%,器件产生微波模式为TM01模,经过模式转换器后的辐射模式为TE11模。     

向外发射同轴型虚阴极振荡器研究

在高功率微波源研究领域提出了一种新型虚阴极器件——向外发射同轴型虚阴极振荡器.对其相关束流特性进行了理论分析,得到了同轴空间径向传输空间电荷限制电流,以及虚阴极产生的条件和电子束运动的基本规律.基于数值模拟得到的结果,向外发射同轴型虚阴极振荡器不仅表现出较高的能量转换效率,而且有利于增加虚阴极器件产生高功率微波的脉宽,同时还可以应用于低频段高功率微波源.这种虚阴极器件的可能输出微波方式也进行了讨论 关键词： 虚阴极 高功率微波 脉冲功率 电子束二极管     

同轴虚阴极振荡器数值模拟

给出了同轴型虚阴极振荡器的数值模拟和部分理论分析结果, 指出许多几何结构参数包括阴极宽度、二极管间隙等都对输出微波的频率、带宽和能量转换效率有较大的影响。给出了这些参量之间关系的数值模拟结果,在一定程度上为同轴虚阴极振荡器的实验研究提供了理论基础。     

Design of a high-efficiency C-band backward wave oscillator

For practicability of the high power microwave source,a C-band backward wave oscillator(BWO)which has high conversion efficiency is designed.When the axial guiding magnetic field is 0.83 T,the electron energy and the beam current of the diode are respectively 80 keV and 2.1 kA,a microwave output power of100 MW at 7.4 GHz microwave frequency with 65% conversion efficiency is achieved in simulation.     

基于双平行马赫-曾德尔调制器的大动态范围微波光子下变频方法

为了提高微波光子下变频链路的性能,提出了基于集成双平行马赫-曾德尔调制器的微波光子下变频方法.通过理论推导和数值仿真分析了系统的增益和无杂散动态范围,实验搭建了基于双平行马赫-曾德尔调制器的下变频链路,控制直流偏置电压使双平行马赫-曾德尔调制器工作在高载波抑制的双边带调制模式,并对链路进行了性能测试.实验结果表明:该下变频链路的增益为7.43 d B,无杂散动态范围达到了110.85 d B/Hz2/3,工作频段可覆盖5—18 GHz的宽频范围.基于双平行马赫-曾德尔调制器的下变频方法可优化设计输出频谱,系统结构简单、易于实现,为微波光子下变频链路提供了有效的解决方案.     

Simulation of the relativistic backward wave oscillator with a sinusoidal guiding magnetic field

A simulation is carried out to investigate a relativistic backward wave oscillator (RBWO) with a sinusoidal guiding magnetic field. In the numerical simulation, a microwave output power of 1.33 GW at 9.57 GHz microwave frequency with 33% conversion efficiency is achieved. It is a significant attempt which is helpful for developing a practical high power microwave (HPM) source guided by a permanent magnetic field.     

Simulation of the relativistic backward wave oscillator with a sinusoidal guiding magnetic field

A simulation is carried out to investigate a relativistic backward wave oscillator （RBWO） with a sinusoidal guiding magnetic field. In the numerical simulation, a microwave output power of 1.33 GW at 9.57 GHz microwave frequency with 33% conversion efficiency is achieved. It is a significant attempt which is helpful for developing a practical high power microwave （HPM） source guided by a permanent magnetic field.     

Experimental investigation of backward wave oscillator with low magnetic field

A backward wave oscillator (BWO) is introduced in the paper. On the accelerator of Simus-700,it is experimentally investigated. Under the condition that the electron energy is 740 keV, the beam current is 7 kA and the guiding magnetic field is at 0.68 T, the performance of 1.15 GW microwave output power at 9.1 GHz microwave frequency with 22 ns pulse width and 22% conversion efficiency are reached.     

新型高效率虚阴极振荡器

结合低磁场返波管振荡器和虚阴极振荡器的优点,设计了一个具有较高效率的虚阴极振荡器,通过添加半反射腔,使虚阴极在由阳极箔、波导和半反射腔组成的准谐振腔内形成,实现器件的高效率、高功率运行。当电子能量和束流分别为480 keV和23 kA时,采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7 GHz、功率为2.6 GW的微波输出,器件束波转换效率约为23%。     

新型高效率虚阴极振荡器

结合低磁场返波管振荡器和虚阴极振荡器的优点,设计了一个具有较高效率的虚阴极振荡器,通过添加半反射腔,使虚阴极在由阳极箔、波导和半反射腔组成的准谐振腔内形成,实现器件的高效率、高功率运行。当电子能量和束流分别为480keV和23kA时,采用2.5维粒子模拟(PIC)程序模拟得到频率为3.7GHz、功率为2.6GW的微波输出,器件束波转换效率约为23%。     

X波段10 GW高功率返波管振荡器设计

设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过添加内导体并采用过模慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行. 当电子能量和束流分别为1.3 MeV和17 kA时,采用2.5维Particle in Cell (PIC)程序模拟得到频率为8.8 GHz,功率为10.4 GW的微波输出. 关键词： 内导体 相对论返波管 过模慢波结构     

Phase Noise in Millimeter Wave Phase-Locked Loop with Mixer

In order to estimate the phase noise of millimetre wave (MMW) phase-locked oscillator (PLO), the phase noise relation of signals in MMW phase-locked loop (PLL) with frequency conversion is analyzed. The signals include output of MMW PLO, intermediate frequency (IF) output of harmonic mixer and output of microwave oscillator serving as local oscillator (LO). A method to estimate the phase noise of MMW PLO is presented, which is based on the phase noise of LO and IF. At the same time, a W-band PLO is achieved, and the phase noise values of the three signals are measured. It is shown that the experimental result is well coincident with the analysis of phase noise relation.     

同轴虚阴极振荡器实验研究

 介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所关于同轴虚阴极振荡器实验的最新进展。实验结果表明,带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器比不带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器输出微波功率更高,频谱更纯。在二极管电压350 kV,电流23 kA条件下,输出微波峰值功率500 MW,能量转换效率约6.2%,工作频率为3.3 GHz。对实验结果进行了理论分析。