一种新型同轴TEM-圆波导TE11模式变换器

 提出了一种新型同轴插板式模式变换器，可以实现同轴TEM到圆波导TE₁₁模式的变换。介绍了这种模式变换器的工作原理：即通过在同轴波导中沿轴向插入金属板，将同轴TEM模变换成扇形截面波导TE₁₁模，进而利用不同扇形截面波导中的相移改变电场分布的轴对称性，在同轴波导中形成同轴TE₁₁模，最后将同轴TE₁₁模转换为圆波导TE₁₁模式。基于这一原理设计了一个中心频率为3.8GHz的同轴TEM-圆波导TE₁₁模式变换器，并进行了数值模拟。模拟结果表明：这种模式变换器可以承受高功率，中心频率上转换效率为98.5%，转换效率大于90%的带宽超过10%，在3.5~4.1GHz的频率范围内反射损耗低于0.3dB。     

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。     

向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

 针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析,给出了电流电压关系的数值解,估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置;同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究,通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算,得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明,尽管使用圆周对称的同轴结构,输出模式中TE₁₁和TM₀₁仍占主导地位,两种模式共同存在,相互竞争。在最佳情况下,当二极管电压为250 kV,电流为20 kA时,得到了微波输出总功率最高为740 MW,功率效率超过10%,主频为3.18 GHz,同时含有较强TE₁₁和TM₀₁模式成分的微波输出。     

外开槽同轴波导大轨道回旋自谐振脉塞放大器

 运用大轨道电子束,对外开槽同轴波导回旋自谐振放大器进行了线性动力学理论分析和非线性自洽模型模拟。由线性动力学理论分析和非线性模拟得到的结果在线性增长部分吻合得很好。为了有效抑制绝对不稳定性,对电子束流的选择进行了讨论。计算结果表明：对于电压为700 kV, 电流为100 A, 电子束纵横向速度比为0.8的大轨道电子束, TE₅₁外开槽同轴波导回旋自谐振脉塞放大器的峰值功率和峰值效率分别可以达到6.27 MW和8.96%。     

Ka波段二次谐波损耗波导回旋行波管非线性分析

 建立了由损耗段和铜段组成的波导结构的Ka波段二次谐波回旋行波放大器理论模型,并进行了非线性理论研究。基于稳定性分析,确定35 GHz TE₀₂模二次谐波回旋行波放大器的基本工作参数:波导半径为1.02 cm,电子注工作电压为90 kV,工作电流为25 A,工作磁场为0.642 6 T,横纵速度比为1.2;然后通过模拟详细分析了工作电流、波导损耗和速度零散等因素对该放大器性能的影响。研究表明：在该结构中损耗段可以有效地抑制模式竞争从而提高输出功率和带宽;工作电流对输出功率的影响存在最大值;速度零散对输出功率有很大的影响。     

组合型TM01-TE11弯形圆波导模式转换器研究

 研究了组合型TM₀₁-TE₁₁弯形圆波导模式转换器（两弯曲段中间加一段直圆波导），在保持其输出与输入端口轴线平行的前提下，分别从理论推导、数值计算、软件模拟三个方面对此结构进行了分析，模拟结果与数值计算结果吻合得很好。结果表明：计及功率损耗，频率为3.75 GHz，铜波导内径为9.0 cm，轴向间距为10.57 m时，模式转换器总的功率转换效率为93.8%。     

同轴波纹返波管色散特性研究及粒子模拟

 计算了同轴波纹慢波结构的色散特性,分析了波纹周期长度、波纹幅值大小以及同轴内导体半径对慢波结构色散特性的影响。研究表明内导体的存在使系统截止频率升高,系统尺寸可比普通波纹波导慢波系统更大, 并且可以采用大半径电子注并工作在低磁场状态。运用Magic软件对同轴波纹返波管进行了数值模拟, 发现同轴波导内场分布有利于注波互作用,在数值模拟基础上设计出高效率、低磁场的非均匀同轴波纹返波管,互作用效率达60%,聚束磁场小于1 T。     

TE11模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器

 在阴阳极严格同轴的条件下，理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE₁₁模式与TM₀₁模式与径向入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3维PIC数值模拟结果显示，即使在圆对称结构下，输出波导中非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此，同轴虚阴极振荡器中TE11模式与电子束之间的谐振作用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11模式反射器可以抑制电子束与TM₀₁模式之间的谐振作用，从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用，因此可以提高电子束到微波的功率转换效率。实验结果表明，采用阴阳极非均匀对称结构的TE₁₁模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高效率，在优化参数条件下获得功率转换效率约7％，输出功率大于1.0 GW的实验结果，该功率约为近似严格同轴结构的2.5倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以及参数确定基础。     

填充等离子体的介质同轴波导中的切伦科夫辐射

 利用自洽线性场理论，导出了薄环形相对论电子注通过填充等离子体的介质同轴波导中的注波互作用色散方程，得到了注波互作用产生切伦科夫辐射的同步条件和波增长率。分析了填充等离子体后的波与电子注之间的能量交换及等离子体密度对色散特性、波增长率和注波能量交换的影响。分析结果表明：切伦科夫辐射是由沿介质同轴波导传播的慢波与沿薄环形相对论电子注传播的负能空间电荷波耦合所致，且其耦合强度与电子注的密度成正比；输出频率和波增长率随着填充等离子体密度的增大而提高；保持一定的输出频率，增大电子注的束流可得到高的微波输出功率。     

同轴插板式TEM-TE11模式转换器的设计与实验研究

 介绍了同轴插板式TEM－TE₁₁模式转换器的设计:在同轴波导内沿径向插入四块金属板,将同轴TEM模转变为扇形截面波导TE11模,通过控制插板的长度使不同扇形截面波导输出TE₁₁模的相位不同,最后在圆波导内形成TE₁₁模;通过在插板的前端设置角向均匀分布的金属杆,实现了模式转换器的良好匹配。实验测得模式转换器的辐射方向图轴向最大,与数值计算结果吻合良好,表明实验中模式转换器的输出模式与数值计算结果一致,从而验证了同轴插板式模式转换器的可行性。     

同轴回旋行波放大器的理论和数值研究

 给出了一组描述同轴回旋行波放大器中波束相互作用的非线性自洽方程组，对该放大器的运行特性进行了研究。得到：在小信号区，辐射场的增益随同轴波导的内外半径比b/a的增加而增加，达到饱和时的辐射功率仅略有下降；内外导体管壁上的功率损耗密度随b/a的增加而减小。采用电压为90kV，电流为10A，纵向速度零散度为3%，速率比为1的电子束，在34.26～36.78GHz的频率范围内，计算得到了峰值功率约230kW的微波输出，相应的增益和效率分别为46.6dB和25.5%，带宽为7%，内外导体管壁上功率的最大损耗分别为80和56W/cm²。     

Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator and Coaxial Master Oscillator-Power Amplifier

A two and one half dimensional particle-in-cell code MAGIC has been used to investigate the nonlinear beam-wave interaction in a coaxial relativistic backward wave oscillator(RBWO) and optimize the dependence of the output power on electron beam nature parameter, slow wave structure geometry and magnetic guide field. The optimum conditions for the coaxial RBWO were obtained. The simulation results show: the coaxial RBWO can generate 3.2GW peak output power at 10.2GHz in the TM₀₂ made when an annular electron beam of 20KA is accelerated across a diode potential of 600KV and guided through a section of uniform coaxial corrugated waveguide by an axial magnetic field of 25KG, the peak efficiency is about 27% . A novel coaxial master oscillator–power amplifier was presented in this paper.     

High-gain wide-band gyrotron traveling wave amplifier with a helically corrugated waveguide

First bandwidth measurements of a novel gyrotron amplifier are presented. The coupling between the second harmonic cyclotron mode of a gyrating electron beam and the radiation field occurred in the region of near infinite phase velocity over a broad bandwidth by using a cylindrical waveguide with a helical corrugation on its internal surface. With a beam energy of 185 keV, the amplifier achieved a maximum output power of 1.1 MW, saturated gain of 37 dB, linear gain of 47 dB, saturated bandwidth of 8.4 to 10.4 GHz ( 21% relative bandwidth), and an efficiency of 29%, in good agreement with theory.     

Large-signal characteristics of a wide-band dielectric-loadedgyro-TWT amplifier

The bandwidth of a gyrotron traveling wave amplifier (gyro-TWT) has been significantly increased by partially filling the interaction waveguide with dielectric to reduce the circuit's dispersion. The proof-of-principle experiment was designed for X-band, and employs the fundamental mode of rectangular waveguide loaded with dielectric slabs along the narrow sidewalls. The amplifier yields a peak output power of 55 kW with 11% efficiency, 27 dB saturated gain, and an unprecedented untapered gyro-TWT constant-drive bandwidth of 11% and saturated bandwidth exceeding 14%. The single-stage amplifier is completely zero-drive stable. The 95-kV 5-A electron beam was produced by a single-anode magnetron injection gun with p_⊥/υ_z=0.6, as determined by the EGUN code, and Δυ_z/υ_z=4%, determined as the best fit to the gyro-TWT large-signal simulation data. Simulation studies predict that by lowering the velocity spread to Δυ _z/υ_z=2%, the amplifier performance will be further enhanced to a constant-drive bandwidth of 20% with 15% efficiency     

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     

X波段长脉冲同轴多注相对论速调管放大器的分析与设计

为了提高相对论速调管放大器的工作频率、输出功率以及转换效率, 结合三重轴相对论速调管和多注速调管的特点, 采用三维电磁粒子模拟软件分析与设计了工作在X波段的长脉冲同轴多注相对论速调管放大器, 通过优化设计有效地抑制了X波段长脉冲相对论速调管放大器的自激振荡, 避免了脉冲缩短现象的产生, 使X波段相对论速调管放大器在长脉冲状态下能够稳定工作, 在注入微波功率为70 kW、束压为600 kV、束流为5 kA、轴向引导磁感应强度为0.8 T的条件下, 输出微波功率达到了1.23 GW, 效率为41%, 增益为42 dB.     

倍频谐波回旋行波放大器的研究

 通过研究倍频谐波回旋行波放大器中电子束在调制区和漂移区中的群聚与在辐射区中的辐射,给出了器件各部分的最佳参数;同时在均匀波导管和引导场的情况下,运用低速率比的电子束获得了宽带输出。当电子束的电压为130kV、电流为20A、速率比为0.8以及纵向速度散度为1%时,模拟得到器件的饱和带宽至少可达到10%,峰值功率和增益分别为290k W和50dB,常数驱动带宽约9%。     

X波段高效双频同轴相对论返波管粒子模拟

提出了一种能在X波段实现稳定双频输出的带有谐振反射器的高效率同轴相对论返波振荡器,并使用2.5维全电磁粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示:在电子束电压520 kV、电流8.5 kA、轴向引导磁场2.35 T的条件下,器件实现了9.41 GHz和10.29 GHz的稳定双频输出,平均输出功率为1.35 GW,波束互作用效率为30.5%。此外,双频频谱及双频中较小的频率随着漂移段的变化而准周期地变化,实现了带宽约400 MHz的频率捷变输出。     

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.     

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。