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。     

W波段扩展互作用速调管放大器的模拟与设计

扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的毫米波放大器,具有广阔的应用前景．本文基于电磁模拟软件和三维PIC模拟软件,对工作在W波段扩展互作用速调管放大器进行了设计和仿真．在电子注电压30kV,电流8A的条件下,器件的输出微波功率43kW,频率96．8GHz,增益49．3dB,效率18％．     

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波段扩展互作用速调管电子光学系统

W波段扩展互作用速调管电子光学系统由皮尔斯电子枪与均匀永磁聚焦系统组成,用于电子注的产生与传输。利用Vaughan迭代综合法及数值模拟优化设计了皮尔斯电子枪,并按照电子注传输特性要求研制了均匀永磁聚焦结构。根据电子光学系统的三维模拟,导流系数0.21 P,注电流大于0.5 A,注平均半径小于0.3 mm,射程大于11 mm。永磁聚焦磁场约0.33 T,传输距离大于50 mm,电子注通过率达到100%。电子枪与聚焦系统已加工完毕并通过测试,技术指标满足要求。     

Ka波段扩展互作用速调管的设计

利用粒子模拟(PIC)三维软件,在Ka波段,采用扩展互作用谐振腔技术和谐振腔加载技术来实现高增益和宽频带,对扩展互作用速调管进行了设计和粒子模拟仿真,同时采用二维电子光学软件EGUN对电子枪和聚焦系统进行了设计和优化,聚焦系统使用的是钐钴永磁聚焦。在工作电压9 kV,束流0.15 A的条件下,输入功率为200 mW时,中心频率35.5 GHz,3 dB带宽为410 MHz,最小增益为32.5 dB,得到效率为26%,其平均功率为355 W。     

Ka波段扩展互作用速调管的设计

利用粒子模拟(PIC)三维软件,在Ka波段,采用扩展互作用谐振腔技术和谐振腔加载技术来实现高增益和宽频带,对扩展互作用速调管进行了设计和粒子模拟仿真,同时采用二维电子光学软件EGUN对电子枪和聚焦系统进行了设计和优化,聚焦系统使用的是钐钴永磁聚焦。在工作电压9 kV,束流0.15 A的条件下,输入功率为200 mW时,中心频率35.5 GHz, 3 dB带宽为410 MHz,最小增益为32.5 dB,得到效率为26%,其平均功率为355 W。     

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.     

Ku波段扩展互作用速调管设计

微波电真空器件随着频率的升高,不但聚焦系统难以实现,而且其输出增益和带宽都受到很大的限制,要解决该问题,建议采用扩展互作用速调管,采用分布作用谐振腔技术来扩展其工作带宽和提高增益。利用CST和粒子模拟(PIC)3维软件对其工作在Ku波段扩展互作用速调管进行了设计和仿真,在工作电压30 kV、束流8.5 A的条件下,聚焦系统采用幅值为0.48 T的周期反转永磁聚焦,在输入功率为5.1 W时,得到效率为23%,3 dB带宽为306 MHz,频带内最大增益为39 dB,其峰值功率为58 kW的微波输出。     

回旋速调管放大器注-波互作用分析

 给出了自洽非线性大信号理论分析方法,在理论分析和高频计算的基础上,建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型,对其进行数值计算。研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响,通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟表明：在工作电压65 kV,注电流8 A,电子注横向与纵向速度比为1.5时,输出功率230 kW,带宽230 MHz,电子效率45%,饱和增益33 dB。     

回旋速调管放大器注-波互作用分析

给出了自洽非线性大信号理论分析方法,在理论分析和高频计算的基础上,建立了回旋速调管放大器注-波互作用计算模型,对其进行数值计算。研究多种参量对放大器输出功率、增益、效率等的影响,通过优化得到了中心频率34 GHz的四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟表明：在工作电压65 kV,注电流8 A,电子注横向与纵向速度比为1.5时,输出功率230 kW,带宽230 MHz,电子效率45%,饱和增益33 dB。     

一种220 GHz分布作用速调管的高频系统模拟

对一种基于双排矩形波导慢波结构(SDRWS) 结构的3腔EIK进行了详细计算机模拟计算, 通过对基于SDRWS结构的EIK用输入输出腔的S11的模拟计算及对分布作用速调管用中间腔的本征频率的模拟计算, 初步确定了EIK用输入输出腔及中间腔的结构参数, 进而对EIK进行了PIC互作用模拟计算, 结果表明: 该EIK的3dB工作频带为219.5~220.5GHz, 3dB带宽为1GHz, 最大功率为456 W, 最大增益为40.06dB。在此基础上, 通过调整中间腔的波导头宽度以进行参差调谐, 用PIC互作用模型模拟计算研究了中间腔谐振频率对EIK整体性能的影响。结果表明, EIK的3dB工作频带主要由输入输出腔的通频带决定, 而中间腔的谐振频率也具有重要影响。当中间腔的谐振频率分别处于输入输出腔的通频带的低频端或高频端时, 可以使EIK的3dB工作频带向低频端或高频端得到一定程度展宽; 当中间腔的谐振频率高于输入输出腔的通频带的高频端时, EIK的增益在其3dB工作频带内较为平坦, EIK的输出信号在其3dB工作频带内比较稳定, 频谱的纯净程度较好。参差调谐的最终结果表明, 当中间腔的波导头宽度为0.747mm时, EIK获得了接近最优的性能, 3dB工作频带为219.5~220.0GHz, 3dB带宽扩展到1.2GHz, 最大功率为630W, 相应的最大电子效率为11.3%, 最大增益为47dB。     

Ka波段分布作用速调管多间隙谐振腔研究

谐振腔作为速调管的高频互作用电路,其特性对速调管的功率、效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。主要介绍了某Ka波段分布作用速调管谐振腔的设计过程：基于多间隙谐振腔理论,利用电磁仿真软件CST详细分析了谐振腔不同结构尺寸对特性参数,如品质因子、特性阻抗、耦合系数、有效特性阻抗的影响,优化得到谐振频率为35 GHz的五间隙谐振腔的物理结构模型,并给出互作用仿真结果,为Ka波段分布作用速调管设计及其高频注波互作用的计算提供重要的参考和依据。     

Ka波段分布作用速调管发射机实验系统

介绍一个Ka波段分布作用速调管(EIK)发射机的实验系统,使用的核心器件是一只国产分布作用速调管样管,中心频率为35.01 GHz,脉冲输出功率为10 kW,最大工作比0.5%。该实验系统是为Ka/W波段双频毫米波测云仪发射机关键器件国产化进行的预研。实验系统一方面要对EIK样管的性能进行全面测试,对EIK样管在应用中可能存在的问题进行分析;另一方面优化发射机电路,满足EIK样管最佳工作要求。实验结果表明,国产Ka波段分布作用速调管技术取得了长足的进步,Ka波段大功率EIK发射机将进入实用阶段。     

Ka波段分布作用速调管降压收集极设计

为满足无线传能系统对高效率大功率毫米波功率源的迫切需求,开展大功率连续波速调管高效率技术研究,采用降压收集极技术实现速调管在效率上的有效提升。主要介绍了某Ka波段大功率连续波分布作用速调管（EIK）降压收集极的设计方案,包括注-波互作用后废电子能量分布及行为特性的研究,收集极初始条件、结构及电极电压的设计,给出了单级降压收集极和两级降压收集极的设计和计算结果。三维粒子模拟（PIC）计算结果表明,该Ka波段连续波EIK采用单级降压收集极时回收效率为41.0%,采用两级降压收集极时回收效率为68.8%,EIK总管效率相比于未采用降压收集极技术时的27.5%上升至54.8%,表明通过降压收集极技术可有效提升毫米波大功率速调管工作效率。