C波段新型渡越管模拟研究

 在三腔渡越管的基础上设计了一种工作在C 波段的新型低阻轴向六腔渡越管，其阻抗为15 Ω左右，采用同轴输出。该器件采用大面积发射阴极，无须外加磁场，结构简单紧凑。采用2.5维PIC软件对该器件进行了2维数值模拟，在输入电压为483 kV、电流为32.5 kA的条件下，输出微波平均功率达到3.0 GW，主频为3.75 GHz，微波模式为TEM模。微波功率效率大于19%，比普通低阻抗器件有明显提高。     

X波段新型低阻抗高功率微波源的模拟研究

提出了一种新型低阻抗高功率微波源,能在单个器件内产生两束锁相的相干高功率微波,对两束相干微波进行功率合成有望在单个高功率微波器件中实现更高的功率输出.粒子模拟结果显示,在电压687 k V、磁场0.8 T时,该微波源整体阻抗36?,两束微波的频率都为9.72 GHz,输出功率分别为1.20 GW和2.58 GW,功率效率分别为28%和30%;两束输出微波之间频率抖动小于±3 MHz,相位差抖动小于±3?.     

边加载径向三腔渡越时间振荡器设计

 提出了一种边加载结构的径向三腔渡越时间振荡器。通过1维单粒子理论研究了直流渡越角和电压调制系数对束-波互作用效率的影响,并进行了2.5维数值模拟验证。数值模拟研究表明:该器件具有低阻抗、高效率、输出微波频率单一稳定等特点。在400 kV,60 kA无外加引导磁场的条件下,获得了平均功率为8 GW,频率为3.9 GHz的微波输出,效率达33.3%,阻抗仅为6.7 Ω。     

平面磁绝缘线振荡器的作用机理及模拟设计

针对当前高功率微波(HPM)中的热点器件磁绝缘线振荡器(MILO) 频率低、效率低等问题,提出了一种可以沿x方向平面展开的平面MILO。该器件也是一种低阻抗高功率微波器件,通过一个低外加磁场来代替常规MILO中的磁绝缘电流,辅助实现器件的磁绝缘,从而实现器件效率的提高。结合PIC模拟,建立一个外加低磁场的C波段平面MILO,并根据其慢波结构(平面折绉表面)特点给出相应的色散曲线,确定微波器件工作点,利用2.5维全电磁粒子模拟软件对其进行数值模拟,在输入为4.0 GW电功率(工作电压约800 kV)的条件下,模拟得到频率为6.56 GHz的微波输出,通过优化外加磁场,使得模拟微波输出功率达到1.22 GW,功率效率在C波段条件下超过30%。     

X波段长脉冲高功率微波产生的实验研究

 获得长脉冲高功率微波（HPM）输出是HPM源技术追求的重要目标之一。从物理机理上分析了影响慢波结构HPM器件实现长脉冲HPM输出的因素,并利用长脉冲脉冲功率源和过模慢波结构HPM器件,开展了X波段长脉冲HPM产生实验。实验中,采用介质-铜阴极,并在慢波结构表面镀Cr,在导引磁场约0.7 T、二极管电压约400 kV、电流约10 kA、束流脉宽200 ns的条件下,获得了功率500 MW、脉宽约100 ns、主模为TM₀₁的X波段长脉冲HPM输出。对实验结果的分析表明,脉冲功率源与HPM器件的阻抗不匹配,是导致HPM器件输出微波脉宽比电子束脉宽短、以及HPM器件输出微波功率效率较低的主要原因。     

径向三腔渡越时间振荡器数值模拟

 基于渡越辐射机理结合径向结构的低阻抗特性,提出了一种新型的低阻抗高功率微波器件——径向三腔渡越时间振荡器,它由3个等间距的边耦合同轴腔组成,径向运动电子束与谐振腔中的角向均匀模式场相互作用。采用PIC粒子模拟程序进行了模拟研究。在电子束能量450 keV、束流60 kA且无外加引导磁场的条件下,当结构参数网长为4.8 cm,腔间距为1.4 cm,电子发射面为0.8 cm,内径为8 cm时,获得了平均功率7.4 GW,频率4.1 GHz的微波输出,效率达27.4%,阻抗7.5 Ω。通过粒子模拟给出了束波互作用效率随电子束电压、电流以及谐振腔间距的变化曲线,电子束电压对输出微波频率的影响曲线以及不同谐振频率与最佳谐振腔间距的对应曲线,这些曲线表明该器件具有渡越时间效应的基本特征,属于渡越辐射器件,且具有对电子束质量要求不高的特点。     

S波段低磁场紧凑型相对论磁控管设计

针对高功率微波器件的低磁场小型化发展需求,设计了工作在S波段的低磁场紧凑型相对论磁控管,建立了三维仿真模型。设计衍射输出结构,输出模式为TE11模。在圆波导中TE11模具有最小的截止半径,因此选取TE11模输出比高阶模输出具有更小的波导半径。分析了磁控管的输出性能随磁场、输出波导半径和倾斜角的变化规律。在磁场0.34 T、电压352 kV条件下,模拟仿真结果显示磁控管输出功率达到567 MW,功率转换效率为62.5%,在频率为2.37 GHz时波导半径仅为77.5 mm。     

圆极化TE11输出模式旋向可在线切换的相对论磁控管模拟研究

提出了一种圆极化TE₁₁输出模式旋向可在线切换的相对论磁控管。该器件互作用区结构采用同腔型磁控管结构,输出结构采用全腔提取结构,励磁系统采用Helmholtz线圈磁场系统。本文利用全腔提取结构的模式激励理论对该器件的输出模式成分进行了理论分析,利用粒子模拟软件对该器件的工作性能进行了模拟研究。粒子模拟结果表明:在外加电压770 kV和外加轴向磁场0.2 T（方向与微波轴向输出方向同向）的条件下,该器件的工作模式为5π/6模,工作频率为2.35 GHz,输出功率为3.86 GW,功率效率达到55.5%,输出模式为右旋圆极化TE₁₁模式且模式纯度达到99%以上;当外加轴向磁场与微波轴向输出方向反向时,该器件的输出模式即可在线切换为左旋圆极化TE₁₁模式,而其他输出性能基本保持不变。     

X波段永磁包装相对论返波管研制

设计了一个X波段相对论返波管,通过对器件结构的特殊设计,提高了器件的Q值,同时增大了电子束与慢波结构之间的耦合阻抗,从而实现器件的低磁场运行以便对其进行永磁包装;当引导磁场强度0.46 T、电子束束压750 kV、束流约5.5 kA时,得到频率9.1 GHz、功率1.24 GW的微波输出。根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46 T的小型化永磁磁体,该磁体长48 cm,最大外半径15 cm,总重量约116 kg。开展了永磁包装返波管的实验研究,得到以20 Hz的频率运行1 s时功率900 MW、单次运行时功率940 MW的X波段微波输出。     

单电子束双波段同轴相对论返波管粒子模拟

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构,使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:轴向电场在系统中的分布得到改进,电子束的能散得到改善。在电子束电压511 kV,电流8.95 kA,引导磁场0.73 T的条件下,双频器件实现了8.09 GHz和9.91 GHz的双波段频率稳定输出,平均功率为1.0 GW,波束互作用效率为21.9%, 效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82 GHz,拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现, 随着慢波结构之间漂移段的变化,双频频率都呈现一种准周期的变化。     

一种新型的高功率高频率同轴渡越时间振荡器

 提出了一种高频率和高功率的渡越时间振荡器,并且对其进行了理论和数值研究。这种振荡器采用同轴结构，功率容量大，不需要外加引导磁场聚焦电子束，波束相互作用区短，保持了传统渡越时间振荡器在结构上的简单性和输出信号的稳定性；运用电压为225kV和电流为11kA的电子束进行模拟，在X波段获得了峰值功率为1.4GW，频率为8.335GHz的微波输出。     

Ku波段同轴渡越辐射振荡器的数值模拟

当传统高功率微波器件向高频段拓展时,器件尺寸的缩小将造成空间极限电流及功率容量的减小。基于此提出一种Ku波段同轴结构的渡越辐射振荡器。通过引入同轴结构,器件内部的空间极限电流及功率容量得到了有效提升。调制腔采用三谐振腔结构,与两腔结构相比,调制电子束的能力明显增强。采用高频场软件对调制腔和输出腔进行了冷腔分析。利用2.5维粒子模拟软件对Ku波段同轴渡越辐射振荡器进行了数值模拟,在导引磁场0.6 T、二极管电压392 kV、电流15.2 kA的条件下,在中心频率为14.184 GHz处获得1.2 GW的高功率微波输出,功率转换效率达20%。     

A proposed 4 GHz, 60 kW transit-time oscillator operating at 18 kVbeam voltage

A high-power transit-time oscillator operating at 4.0 GHz in the cylindrical-cavity TM₀₁₀ mode is proposed. Without requiring an externally applied magnetic field, the oscillator comprises a diode electron gun and a cylindrical cavity that are combined into a single unit that makes for a compact, lightweight device. The transit-time effect, which underlies the operation principle of the oscillator, is examined through a small-signal analysis from which a relation embodying the cavity length, resonant frequency, and cathode voltage is derived. Proper DC voltages of 18 kV are applied to the diode gun which runs in the space-charge-limited regime and produces a 27 A-current hollow electron beam. Output power is extracted axially from the system by aperture coupling the cavity to an external waveguide where outgoing travelling waves with 60 kW peak power are observed by means of 2.5 D particle-in-cell computer simulations     

改进型低阻类膜片加载同轴渡越时间振荡器

采用2.5维粒子模拟软件对改进型低阻类膜片加载同轴渡越时间振荡器进行了研究。研究结果表明:提取腔工作于类模场时，具有较高的束波互作用效率；引入渐变型输出波导，提高了提取腔内微波向外耦合输出的能力；通过加载感性支撑杆，一方面对金属膜片起支撑固定作用，另一方面可以及时将膜片上的感应电荷导流至接地外筒、从而降低间隙附近的空间电荷效应，以增加可提取的束动能。经优化设计，该结构在二极管电压为530 kV，二极管电流为12.9 kA、外加导引磁场为0.5 T的条件下，输出微波功率2.74 GW，微波频率7.76 GHz，束波功率转换效率达40%。     

Computer Simulation of a 5.7GHz, 110kW Transit-Time Oscillator

A high-power transit-time oscillator producing 110kW at 5.7GHz in the TM₀₁₀ cavity mode is described. The device comprises a temperature-limited diode electron gun operating at 40A in the range from 28kV to 35kV and an intermediate coaxial cavity from which the microwave power is extracted through a TEM coaxial guide. The diode serves also as a resonant cavity, where electromagnetic oscillations are grown from noise. The effect of the applied voltage on both the output microwave power and the instability saturation time has been investigated leading to an optimal diode voltage of 33kV.     

Theoretical and experimental researches on C-band three-cavity transit-time effect oscillator

In recent years great progress has been made in the plasma technology, pulsed-power technology, and the PIC simulation tools. At the same time, great efforts have been made in the research of the directed energy weapon. As a result, the technol-ogy of the high power microwave (HPM) has been developing rapidly[1]. Over the past 30 years, dozens of HPM sources have been found, with the maximum peak power reaching 15GW, the maximum energy of the single pulse 600 J, and the frequency stretchi…     

C波段三腔渡越时间振荡器的数值模拟

 用2.5维PIC程序对三腔渡越时间振荡器进行了数值模拟，给出了产生微波的详细物理图像。模拟表明：三腔渡越时间振荡器能调制强流电子束并输出微波，微波频率符合理论设计值。模拟得到了输出微波功率随栅网间距，随反向二极管轴向间距以及提取口径向间距变化的规律。输出微波功率与栅网间距的关系与线性理论基本相符。在电子束电压400kV，电流4kA的条件下，模拟得到的结果为微波峰值功率约600MW，频率5GHz，起振时间约3.5ns，峰值功率效率大于37%。     

X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

 对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟，结果表明：在超辐射机理作用下，该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置，建立了一套小型窄脉冲电子加速器，以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下，实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW，脉宽1.10 ns，上升沿800 ps，频率9.15 GHz，功率转换效率为21%。     

低磁场S波段相对论返波振荡器的工作特性

为了实现高功率微波发生器的小型化,开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低,对应的电子回旋共振磁场强度也很低,因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题,采取下列措施:通过加大电子束与器件内壁的距离,提高电子束传输效率;采用较深的慢波结构作为提取腔,实现高束波互作用阻抗;提取腔前采用浅深度慢波结构,使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明,以上措施有效,在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下,该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T),适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%,能耗下降了约93.8%。