亚太赫兹波折叠波导扩展互作用振荡器研究

对于亚太赫兹波段扩展互作用振荡器(EIO),本文采用折叠波导作为慢波谐振系统,研究了周期数对高频特性的影响,计算了特征阻抗、起振电流随周期数的变化规律,为有效降低起振电流提供了途径.在此基础上,采用PIC进行模拟研究,探讨了EIO在弱电流连续波和强电流脉冲工作方式下的注波互作用和输出特性,深入分析了EIO的周期数调谐、电压调谐的特性.在连续波工作时,EIO的输出功率约2.5 W;在脉冲工作方式下,通过电压调谐,EIO的输出功率约26-50 W,激发频率约105.26-105.31 GHz.采用慢走丝加工方法,探讨了高频系统的两种加工方式,测试了慢波系统的谐振特性、输出窗的传输特性,并与模拟结果进行了对比分析,验证了该加工方法在该频段的可行性和实用性,为实用型整管研究提高了重要依据.     

X波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟

采用过模同轴波纹型返波管,其互作用区由2段周期不同的波纹慢波结构组成,利用粒子模拟软件MAGIC进行数值模拟,得到了X波段稳定的3个频率微波输出。粒子模拟的结果为:在强流电子束电压为570 kV,电流为11.4 kA,引导磁场为0.72 T的条件下,获得的3个频率分别为9.575,10.025和10.475GHz,总微波功率为1.0 GW,效率为15.4%。通过对电压的调节,进一步获得了4个频率的微波输出。     

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。     

太赫兹折叠波导行波管再生反馈振荡器非线性理论与模拟

行波管再生反馈振荡器是一种新型太赫兹源器件.基于560GHz折叠波导慢波结构,对此类器件的工作原理与物理模型进行分析阐述.采用非线性互作用模型对行波管再生反馈振荡器进行详细振荡过程模拟.模拟结果显示,在550—600GHz频率下可以获得稳态振荡频率,并在560GHz处获得最大单频输出功率.结果同时表明,振荡频率随电子注电压发生跳变现象,并简要分析了其产生原因.     

矩形螺旋线行波管注-波互作用3维模拟

 运用3D粒子模拟软件MAGIC分析了矩形螺旋线行波管(TWT)的注 波互作用过程。模型设计了电导率线性渐变的电阻耦合器代替同轴输入输出结构来减少反射,消除自激震荡。仿真结果表明： 矩形螺旋线TWT模型能够进行有效的注 波互作用,完全可以反映管内互作用的非线性本质,证明了模型设计的合理性,并对影响注 波互作用的一些重要参量进行了讨论。设计的X波段TWT可达到的指标为：工作频率8~12 GHz,输出功率峰值达480 W,3 dB带宽为4 GHz,电子效率为11.8%。     

螺旋线行波管三维多频非线性理论分析和数值模拟

建立了螺旋线三维多频非线性互作用模型.通过场论的方法建立线路场方程,结合粒子模拟（PIC）方法和谐波展开法,建立三维空间电荷场模型.模拟了8—18GHz宽带行波管的基波和高次谐波,计算了AM-AM幅度失真和AM-PM相位失真,三次交调和五次交调分量.通过频率扫描得到的8—18GHz饱和输出功率和饱和增益,结果与热测结果接近,且饱和输出功率误差在1dB以内. 关键词： 注波互作用 三维 非线性 螺旋线行波管     

94GHz渐变复合腔二次谐波回旋管的设计

根据注-波互作用自洽非线性理论,编写了分析渐变复合腔的计算程序,通过该程序,获得了工作模式对为TE021-TE031的注-波互作用腔体和相关电磁参量的优化结果。应用粒子模拟软件对设计的复合腔进行了模拟,模拟与数值计算结果基本一致。根据计算结果研制了二次谐波回旋管,在加速电压57.5kV、电流10A下,测得其工作频率为94GHz,输出模式为TE01,峰值功率和效率分别为156kW和27.1%。计算、模拟和实验结果基本一致。     

磁绝缘线振荡器谐振腔的高频特性研究

 利用数值方法计算了磁绝缘线振荡器(MILO)主慢波结构谐振腔和扼流腔的谐振频率和场分布。结果表明：当主慢波结构腔内半径为4.6 cm,扼流腔内半径为4.2 cm,阴极半径为3 cm时,MILO工作在3.6~4.4 GHz频率范围,扼流片可以阻止微波功率向脉冲功率源泄漏,这有利于提高器件微波输出的功率;4.5~4.9GHz频段为慢波结构的阻带,微波在该频段截止。计算了C波段MILO开放腔的谐振频率,当模式分别为3π/8,π/2,5π/8,3π/4时,其谐振频率分别为3.18,3.76,4.00,4.11 GHz;并通过实验测出了开放腔的谐振频率,其相应的值分别为3.80,3.94,4.08.4.18 GHz, Q分别为194,143,231,468。数值计算的谐振频率与实验测出的频率基本一致。     

强流相对论环形电子束自调制振荡研究

 主要研究了强流相对论环形电子束在等位谐振腔内的非线性自调制振荡，用小信号理论分析了电子起振的条件，得出了电子起振的扰动频率。基于该理论分析，又提出了一种不外加磁场的新型高功率微波器件，该器件主要由一个圆柱谐振腔和一个同轴波导输出腔构成。用2.5维MAGIC粒子模拟软件对该非线性过程进行数值模拟，分析了输入电压、电流对输出微波功率的影响。模拟结果表明这种结构中确实存在非线性不稳定性，自调制的扰动频率则由电子束的初始能量、电荷密度和电子束的半径以及谐振腔的空间结构给定。利用谐振腔长为4.7 cm、二极管电压为2.8 MV、电流为20 kA的电子束，可以得到频率为4.29 GHz、功率为6 GW的微波输出，束-波转换效率约为11%。     

轴向加速管的数值模拟

 用二维全电磁数值模拟方法研究了轴向加速管，虽然没有实现理想群聚，但通过加一个中间腔, 大大提高了前两阶谐波电流分量，其中一阶谐波电流调制系数达到了140%，二阶谐波电流调制系数达到了68%。通过对提取腔的设计，可以选择地输出不同的频率，其中一次谐波频率为2.2GHz,输出功率1.25GW，效率9.33%；二次谐波频率为4.4GHz，输出功率0.48GW,效率3.6%。     

Study of a rectangular coupled cavity extendedinteraction oscillator in sub-terahertz waves

An extended interaction oscillator （EIO） generating 120 GHz wave in sub-terahertz waves is studied by using the three-dimensional electromagnetic simulation software CST and PIC codes. A rectangular reentrant coupled-cavity is proposed as the slow-wave structure of EIO. By CST, the circuit parameters including frequency-phase dispersion, interaction impedance and characteristic impedance are simulated and calculated. The operation mode of EIO is chosen very close to the point where βL = 2π with corresponding frequency 120 GHz, the beam voltage 12 kV and the dimensions of the cavity with the period 0.5mm, the height 3mm and the width 1.4mm. Simulation results of beam-wave interaction by PIC show that the exciting frequency is 120.85 GHz and output peak power 465 W with 12-period coupled-cavity with the perveance 0.17 μP. Simulation results indicate that the EIO has very wide range of the operation voltage.     

Design of a C-band relativistic extended interaction klystron with coaxial output cavity

In order to overcome the disadvantages of conventional high frequency relativistic klystron amplifiers in power capability and RF conversion efficiency, a C-band relativistic extended interaction klystron amplifier with coaxial output cavity is designed with the aid of PIC code MAGIC. In the device, disk-loaded cavities are introduced in the input and intermediate cavity to increase the beam modulation depth, and a coaxial disk-loaded cavity is employed in the output cavity to enhance the RF conversion efficiency. In PIC simulation, when the beam voltage is680 k V and current is 4 k A, the device can generate 1.11 GW output power at 5.64 GHz with an efficiency of 40.8%.     

扩展互作用谐振腔的模拟分析

 分析了扩展互作用谐振腔的工作原理、特点以及工作过程，并利用PIC粒子模拟程序对其进行了数值模拟，分析了阴极电压、电子注半径、谐振腔个数以及谐振腔周期长度对输出功率、频率及转换效率的影响。结果表明：当阴极电压为28.5~30.0 kV时，谐振腔能正常工作；当电子注半径为1.4 mm，谐振腔个数为4，阴极电压为29 kV时输出功率和转换效率最大，输出功率为128 kW，频率12.9 GHz，转换效率达37.93%；输出频率随谐振腔周期长度的变小而增大。     

Particle-In-Cell Simulations from a X Band Coaxial Relativistic Backward Wave Oscillator

A high-power x-band coaxial relativistic backward wave oscillator has been conceptually designed and analyzed. The TM_on dispersion relations in the coaxial corrugated cylindrical waveguide used in the device was calculated. MAGIC,an electronmagnetic particle-in-cell code, is being used to investigated the nonlinear beam-wave interaction and other design optimization issues. Preliminary simulation results shows that the coaxial BWO can generate 2. 2 GW peak power microwave at 10. 15GHz in the TM₀₂ mode driven by a 600-KV 20-KA electron beam, the peak power efficiency is about 18%.     

利用等效电路模型计算耦合腔行波管注-波互作用

通过研究Curnow等效电路模型,得到进行单腔计算的矩阵方程,进而获得线路场方程, 结合运动方程和空间电荷场方程,从而推导出耦合腔行波管一维注波互作用非线性理论模型. 该理论能计算任意的切断、跳变、渐变等结构以及多信号模拟.利用该理论编制的软件计算了 59 GHz-64 GHz耦合腔行波管AM-PM相位失真,三阶互调以及五阶互调分量. 同时模拟得到了59 GHz-64 GHz带内饱和输出功率分布,理论结果与热测结果误差在5%以内.     

Numerical design of 120 GHz, 1 MW gyrotron interaction cavity

The design and the numerical simulation of the interaction cavity for 120 GHz, 1 MW gyrotron is presented. The optimizations of the cavity parameters are carried out by using the Particle-in-Cell, 3D-electromagnetic simulation code MAGIC. The co-rotating TE_22,6 mode is selected by using the in-house developed code GCOMS. The cold cavity and the beam–wave interaction analyses are carried out to analyze the eigenmode, eigenfrequency and the output power performance. The output power more than 1 MW is achieved at the magnetic field of 4.82 T. The sensitivity analyses of the output power and the frequency with respect to the various interaction cavity parameters are also performed.     

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.     

S波段相对论Klystron双流放大器的粒子模拟

 相对论双流放大器是一种结构简单、高增益、高效率的高功率微波器件,它的主要作用机制是两个同心环形电子束之间的双流互作用。利用MAGIC粒子模拟程序,对S波段的相对论双流放大器进行了粒子模拟,研究了相对论双流放大器的双流互作用机制,进一步认识了作为相对论双流放大器的放大机制的双流不稳定性,为国内开展类似器件的研究打下了良好的基础。