螺旋线慢波结构高频特性的简化模拟方法

利用3D电磁仿真软件HFSS中的Master/Slaver边界条件,基于螺旋线慢波结构的角向周期性,提出了一种改进的高频特性仿真方法。将具有3根夹持杆的螺旋线慢波结构的仿真模型从1个螺距的长度缩小到了1/3个螺距。仿真结果表明：采用改进后的模型,计算所得的相关高频特性参数与改进前传统模型所得结果基本一致,但是运算时间减少了至少3/4,且频率越高,计算时间上面的优势越大。     

螺旋线厚度对螺旋线慢波结构高频特性的影响

在螺旋坐标系下采用近似场匹配法研究了厚度较厚的螺旋线慢波结构的高频特性,得到了其色散方程,并数值计算了螺旋线厚度对慢波系统的相速的影响。结果表明:随螺旋线厚度的增加,慢波结构的色散曲线变得平坦,色散变弱,带宽增加。与软件仿真结果及Hook的螺旋线模型对比表明:采用近似场匹配法的计算结果与CST仿真吻合得更好,比Hook模型具有更高的准确性,从而证明所采用理论方法的有效性。     

螺旋线厚度对螺旋线慢波结构高频特性的影响

在螺旋坐标系下采用近似场匹配法研究了厚度较厚的螺旋线慢波结构的高频特性,得到了其色散方程,并数值计算了螺旋线厚度对慢波系统的相速的影响。结果表明：随螺旋线厚度的增加,慢波结构的色散曲线变得平坦,色散变弱,带宽增加。与软件仿真结果及Hook的螺旋线模型对比表明：采用近似场匹配法的计算结果与CST仿真吻合得更好,比Hook模型具有更高的准确性,从而证明所采用理论方法的有效性。     

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。     

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     

双渐变螺旋线慢波结构参数分析及优化

 双渐变螺旋线慢波结构是空间行波管中使用最广的慢波结构之一。利用Christine大信号程序对该慢波结构各部分长度和螺距对行波管效率以及增益的影响进行了分析。结果显示:增益和电子效率与慢波结构长度成正比,且输入端的长度对增益影响最大;电子效率对相速增加段的螺距的变化最为敏感。根据分析结果,通过增加输入端长度,加大相速增加段的螺距,同时减小相速减小段的螺距进行优化。优化后,电子效率由35.4%提高至36.8%,增益由54.6 dB增加至56.2 dB。     

螺旋线径向挤压变形对其慢波结构冷测特性的影响

介绍了用MAFIA软件的准周期边界条件计算螺旋线行波管慢波结构的色散和耦合阻抗,以及用ANSYS软件对螺旋线径向挤压变形建模的方法,并对螺旋线受挤压径向变形对其冷测特性的影响进行了详细的分析。结果表明:螺旋线径向挤压变形会导致相速增大,而在通常的变形范围内耦合阻抗也会增加;当变形继续增大时耦合阻抗上升到最大值后开始下降。     

螺旋线径向挤压变形对其慢波结构冷测特性的影响

 介绍了用MAFIA软件的准周期边界条件计算螺旋线行波管慢波结构的色散和耦合阻抗，以及用ANSYS软件对螺旋线径向挤压变形建模的方法，并对螺旋线受挤压径向变形对其冷测特性的影响进行了详细的分析。结果表明:螺旋线径向挤压变形会导致相速增大，而在通常的变形范围内耦合阻抗也会增加；当变形继续增大时耦合阻抗上升到最大值后开始下降。     

耦合腔慢波结构冷测特性的计算方法

 对几种用3维MAFIA仿真软件以及利用其准周期边界条件和后处理模块计算耦合腔行波管慢波结构的色散和耦合阻抗等冷测特性的方法进行了讨论,另外还对两种阻抗＿总阻抗和Pierce耦合阻抗的定义进行了充分讨论。考虑到休斯结构耦合腔行波管的电子是与耦合腔慢波结构的负一次谐波发生作用和耦合阻抗应该是电子注截面上的平均值等,指出总阻抗和Pierce耦合阻抗之间相差一个因子,考虑了这个修正因子之后,其结果将更接近实际情况。用这些方法计算耦合腔行波管的冷测特性,得到了与实验冷测值十分接近的结果。     

耦合腔慢波结构冷测特性的计算方法

对几种用3维MAFIA仿真软件以及利用其准周期边界条件和后处理模块计算耦合腔行波管慢波结构的色散和耦合阻抗等冷测特性的方法进行了讨论,另外还对两种阻抗＿总阻抗和Pierce耦合阻抗的定义进行了充分讨论。考虑到休斯结构耦合腔行波管的电子是与耦合腔慢波结构的负一次谐波发生作用和耦合阻抗应该是电子注截面上的平均值等,指出总阻抗和Pierce耦合阻抗之间相差一个因子,考虑了这个修正因子之后,其结果将更接近实际情况。用这些方法计算耦合腔行波管的冷测特性,得到了与实验冷测值十分接近的结果。     

充空气的同轴慢波结构高功率微波器件粒子模拟

 粒子模拟了电子碰撞空气产生的等离子体对同轴慢波结构高功率微波器件的影响,并且在充空气条件下对器件结构参数进行了进一步优化。模拟表明,气压越高,产生的二极管电流越大,二极管电压越低,频率越低。等离子体离子对电子束的空间电荷中和及等离子体电子对微波的能量吸收共同影响输出微波功率的大小。在一定的气压范围内,提高气压能够提高输出功率,此时等离子体离子对电子束的空间电荷中和起主导作用。气压高于一定值时,所产生的等离子体电子强烈吸收微波,输出功率迅速下降,甚至引起脉冲缩短。此外,由于等离子体的存在,器件最佳相互作用区长度以及最优端面反射系数均有可能发生改变。最后还对慢波结构周期数以及漂移段长度等进行了研究,优化的器件内、外导体周期数为11和8.5,慢波结构前端以及内外慢波结构末端分别接4, 17和2 mm的漂移段,在气压4 Pa下获得了1.64 GW的输出功率,效率39%。     

螺旋慢波电路高频特性的三维计算模拟

使用MAFIA软件对螺旋慢波线高频特性进行计算模拟,避免解析理论中的假设处理,提高了计算精度,与实验测试值相比色散特性的平均模拟误差为1%左右,耦合阻抗的平均误差为0.2%左右;并对不同建模方法下的不同模拟方法在计算时间和精度上作了比较,证明了准周期边界条件的模拟方法是一种在实际工程应用上同时满足精度与效率要求的模拟方法。     

微扰实验法测试螺旋线行波管耦合阻抗及模拟仿真

 应用有限元仿真软件HFSS,建立了准确的3维螺旋线行波管耦合阻抗仿真模型。应用该模型,对微扰实验法在微扰杆内电场所做出的4个假设和近似,进行了定量的分析和讨论：电场在轴向是均匀的,忽略掉轴向高次空间谐波的存在;电场在角向是均匀的,忽略掉角向高次空间谐波的存在;忽略掉电场中TE波部分,认为电场角向分量为零;假设微扰前后的电场是相等的。同时,对微扰杆的尺寸和介电常数与耦合阻抗的依赖关系进行了模拟分析。结果表明：当微扰法所引入的假设和近似逐步消失后,微扰法的结果最后收敛于定义法。     

充空气的同轴慢波结构高功率微波器件粒子模拟

粒子模拟了电子碰撞空气产生的等离子体对同轴慢波结构高功率微波器件的影响,并且在充空气条件下对器件结构参数进行了进一步优化。模拟表明,气压越高,产生的二极管电流越大,二极管电压越低,频率越低。等离子体离子对电子束的空间电荷中和及等离子体电子对微波的能量吸收共同影响输出微波功率的大小。在一定的气压范围内,提高气压能够提高输出功率,此时等离子体离子对电子束的空间电荷中和起主导作用。气压高于一定值时,所产生的等离子体电子强烈吸收微波,输出功率迅速下降,甚至引起脉冲缩短。此外,由于等离子体的存在,器件最佳相互作用区长度以及最优端面反射系数均有可能发生改变。最后还对慢波结构周期数以及漂移段长度等进行了研究,优化的器件内、外导体周期数为11和8.5,慢波结构前端以及内外慢波结构末端分别接4, 17和2 mm的漂移段,在气压4 Pa下获得了1.64 GW的输出功率,效率39%。     

同轴慢波结构相对论高功率微波产生器理论分析

 推导了同轴波导的空间电荷限制流,其值大于圆波导的空间电荷限制流。因此在阴极电势和束流相等的情况下,同轴波导中的束流具有更高的动能,同轴器件有可能获得更高的微波转换效率。理论推导出同轴慢波结构中考虑束流空间电荷影响的色散方程,利用Matlab进行了编程求解。不考虑束流空间电荷影响时,编程计算结果与Superfish模拟结果一致。由考虑束流空间电荷影响的色散方程数值计算结果,可知文献中提出的同轴慢波结构相对论高功率微波产生器工作在准TEM模的π模,频率为7.67 GHz,峰值时间增长率较高,电子束损失的能量与其初始能量之比为34%。这些结果均与文献中的数值模拟结果一致。同时理论分析说明该种器件无论在能量转换效率,还是在产生微波脉冲的上升时间上均具有优势。