Theoretical study of wave propagation along the coaxial waveguide filled with moving magnetized plasma

This paper presents detailed theoretical study on the theory of wave propagation along the coaxial waveguide filled with moving magnetized plasma (CWMMP). Making use of the Lorentz transformation and the constitutive transformation, Maxwell’s equations lead to the coupled non-homogeneous differential equations which govern the wave propagation in CWMMP, and then analytical solutions have been obtained. The discussion about the eigenvalues of the waves and detailed studies on the fields are carried out. It finds that the fields of the CWMMP are composed of two parts with different eigenvalues. Numerical calculations show that because of Doppler shift effect, the eigenvalues of the modes in such a case is quite different from those of the CWMMP. And a detailed discussion on the dispersion characteristic of CWMMP is presented.     

The dispersive properties of a dielectric-rod loaded waveguide immersed in a magnetized annular plasma

Propagation properties of electromagnetic waves in a dielectric-rod waveguide immersed in a magnetized annular plasma are presented in this paper. The dispersion relations are derived and calculated. The results show that the dielectric-rod loading can make the structure less dispersive and the transmission frequency-band broadened.     

太赫兹波在磁化等离子体中传输特性

建立了电磁波穿过磁化等离子体鞘套的一维模型,并采用数值分析方法对太赫兹（THz）电磁波在磁化等离子体鞘套中传播时的反射率、透射率和衰减值进行了计算仿真,分析了磁化条件下磁场强度、太赫兹波频率、等离子体鞘套厚度、等离子体碰撞频率和等离子体密度对太赫兹波在磁化等离子体鞘套中传播特性的影响。仿真结果表明：排除衰减波峰对应的频率范围,外加磁场有效降低了太赫兹波传输的衰减,在固定磁场强度下,衰减波峰两侧的衰减值均达到了5 dB以下,有效地解决了通信黑障问题。     

有损金属圆波导中电磁波传输特性的研究

基于电磁模式的色散方程，研究了有损金属圆波导中电磁模式的传输问题.在考虑了损耗层厚度影响的情况下，得到了各模式传输常数的近似解析表达式，此式适用于截止频率附近.通过解析表达式和波导模式色散方程，对衰减常数和相位常数进行了大量数值计算，得到了它们随损耗层厚度、频率以及损耗层电导率的变化规律，两种方法所获得的结果有较好的一致性.研究表明，损耗强度和损耗层厚度的变化会改变波导中电磁模式的色散和简并特性，对于改善高功率回旋行波放大器中注波互作用带宽和模式竞争非常有益. 关键词： 有损圆波导 相位常数 衰减常数 色散方程     

等离子体填充波纹波导中低频模式特性分析

采用等离子体流体模型和线性场理论，导出了在强引导磁场下，一无限薄环形等离子体加载 波纹波导中电磁波传播的色散关系.数值计算并分析了在不同的等离子体填充密度下，低频 等离子体模式的色散特性和行波管的小信号增益.研究发现，低频等离子体模式可与相对论 电子束发生同步互作用使高频信号放大.同时，在无限薄环形等离子体填充条件下，波纹波 导中的低频等离子体模式严格满足Floquet定理所要求的周期性，其上截止频率不再受到等 离子体频率的限制，当密度较大时，等离子体模式还可与TM模式发生耦合. 关键词： 等离子体 波纹波导 色散关系 增益     

Excitation of microwave by an annular electron beam in a plasma-filled dielectric lined waveguide

An axial relativistic electron beam passing through a slow wave structure is unstable to an electromagnetic perturbation whose phase velocity equals the velocity of the beam. This phenomenon of Cherenkov emission is the basis of all traveling wave tubes. In this paper an excitation of Cherenkov radiation by a thin annular relativistic electron beam in a plasma-filled dielectric-lined waveguide is analysed by use of the self-consistent linear theory. The effect of the thin annular electron beam on the beam-wave interaction is completely described by a jump condition. The dispersion equation and the simultaneous condition of the beam-wave interaction are derived. Finally, the growth rate of the wave is obtained, and the effect of the background plasma density and the electron beam radius on the growth rate of the wave are presented.This work is supported by National Natural Science Foundation of China.     

半圆形波导中的电磁场

利用矩形波导和圆形波导的结论,并结合叠加法和镜象法等工具,从理论上分析给出半圆形波导的TE波模型的电磁场分量.根据金属界面的特殊性质,在一定条件下运用叠加法的延拓求出半圆形波导的电磁场分量.最后通过过渡法对一般情况下半圆形波导的电磁场分量进行求解.     

Z变换在磁化等离子体电磁脉冲传播时域分析中的应用

通过Z变换的方法,将与频率有关的磁化等离子体的介电常数由频域变换到Z域,推导了Z变换形式的时域有限差分法计算式,模拟了电磁脉冲在磁化等离子体中的传播。经过离散傅里叶变换,给出了电磁波通过磁化等离子体后的反射系数和透射系数与频率的关系。还给出了模拟结果和理论值的对比。结果表明,Z变换算法的模拟结果比卷积分更接近理论值。     

电磁波在时变磁化等离子体信道中通信性能的实验研究

本文首先利用5.8 GHz微波实际测量了辉光放电等离子体源电子密度和碰撞频率随时间的变化规律. 然后搭建实验平台, 测试了多种通信调制体制的信号经过该等离子体源后的误码率, 实验发现BPSK调制方式的信号在该时间变化的等离子体信道中通信误码率最小. 最后加入磁场, 实验测试了L波段(1.5 GHz) BPSK调制信号和S波段(2.5 GHz) QPSK信号在该磁化等离子体中的衰减、相移以及眼图和星座图的变化, 通过与非磁化情况下对比发现, 加入磁场后, 信道的通信性能有所改善, 误码率显著降低, 可以有效地缓解时变等离子体引起的幅度和相位上的寄生调制效应.     

“Cold” dispersion relation of corrugated waveguide filled with plasma immersed in a finite magnetic field

A general dispersion equation of a partially filled plasma corrugated waveguide immersed in a finite magnetic field is presented. When the guiding magnet B_0→∞ or 0, this equation can be reduced to the results obtained in previous works.     

有限磁场作用下等离子体背景中的切伦可夫不稳定性研究

较高密度的相对论电子束注入等离子体中将会形成离子通道,在考虑了离子通道的影响下,推导出圆柱波导中更普遍的色散方程,并计算出考虑离子通道和不考虑离子通道效应时的色散关系及电磁波的增长率。     

有限磁场作用下等离子体背景中的切伦可夫不稳定性研究

 较高密度的相对论电子束注入等离子体中将会形成离子通道，在考虑了离子通道的影响下，推导出圆柱波导中更普遍的色散方程，并计算出考虑离子通道和不考虑离子通道效应时的色散关系及电磁波的增长率。     

介质加载矩形波导栅行波管的小信号增益计算

介质加载矩形波导栅行波管是一类新型毫米波大功率器件.给出了此结构引入电子束后的“热”色散方程,并利用“牛顿下山”法求解了此复杂系数超越方程,研究了介质加载以及电子束参数对小信号增益的影响.计算结果表明：介质加载可以扩大矩形波导栅行波管的带宽,而增益有所减小.为了弥补增益的降低,可以适当增加槽深度,也可在一定的范围内提高电子束电流.给出的结论对于研制此类行波管具有一定的指导意义. 关键词： 介质加载 矩形波导栅 小信号增益 “热”色散方程     

有限引导磁场下相对论环形电子注色散特性的研究

采用等效媒质处理方法来研究有限引导磁场下沿纵向运动的相对论环形电子注.首先建立运动坐标系以电子注纵向速度匀速运动,在运动坐标系中电子注可以被考虑成静止的磁化等离子体,再通过四维空间的洛伦兹变换得到电子注在静止的实验室坐标系下可以被等效为双各向异性媒质,其不仅具有张量形式的电导率和磁导率,还具有手征特性.在此基础上同时考虑了由于电子注表面波动所引起的表面电流密度.采用该方法研究了有限引导磁场下圆柱波导中沿纵向运动的相对论环形电子注,推导出该模型的色散方程,并进行了数值计算.计算结果表明该研究方法能够得到更准 关键词： 相对论环形电子注 磁化等离子体 色散特性     

电子束电流对介质切伦科夫脉塞色散关系的影响

采用等离子体流体理论,从线性扰动方程出发,研究了电子束电流大小对介质切伦科夫脉塞中束波相互作用色散关系的影响,得到了当等离子体返回电流能有效中和与不能有效中和电子束电流两种情形下色散关系和波的增长率,并讨论了电子束电流对束波相互作用色散关系和波增长率的影响。研究表明,等离子体返回电流能有效中和与不能有效中和电子束电流两种情况下有着不同的色散关系和波的增长率。在波导参数和背景等离子体参数固定的情况下,电子束电流并不是越大越好,电子束电流过大不利于提高器件效率,它们之间存在最佳匹配关系。     

电子束电流对介质切伦科夫脉塞色散关系的影响

采用等离子体流体理论,从线性扰动方程出发,研究了电子束电流大小对介质切伦科夫脉塞中束波相互作用色散关系的影响,得到了当等离子体返回电流能有效中和与不能有效中和电子束电流两种情形下色散关系和波的增长率,并讨论了电子束电流对束波相互作用色散关系和波增长率的影响。研究表明,等离子体返回电流能有效中和与不能有效中和电子束电流两种情况下有着不同的色散关系和波的增长率。在波导参数和背景等离子体参数固定的情况下,电子束电流并不是越大越好,电子束电流过大不利于提高器件效率,它们之间存在最佳匹配关系。     

磁化分层等离子体中电磁波传播特性研究

采用混合矩阵法,分析了磁化分层等离子鞘套对斜入射电磁波传播特性的影响,分别计算了不同入射角以及外加磁场下电磁波透射系数和极化特性的变化。以GPS导航信号右旋圆极化波(RCP)为例,研究了磁场、电子密度对电磁波右旋圆极化特性的影响。结果表明,外加磁场能够使右旋圆极化波在等离子体中的阻带向高频方向移动,此外,外加磁场能在一定程度上改善斜入射是圆极化波的极化特性,有利于GPS信号接收。     

介质加载折叠波导行波管的线性分析

提出了一种介质加载折叠波导慢波结构,给出了该结构中存在电子注时慢波互作用的热色散方程,在介电常数ε_r=1的特殊情况下该方程即简化为普通折叠波导的小信号工作方程.在给定慢波结构尺寸的基础上,分析比较了介质加载对放大器小信号增益特性的影响,结果表明:"弱加载"(介质厚度d/a<0.1)时,无需重新设计慢波结构的参数,只需适当调整工作电压和电流就可以满足原有设计要求,而且和未加载时相比增益特性更为平坦,降低的电子注阻抗也有利于电子效率的提高.考虑到 关键词： 折叠波导 行波管放大器 介质加载 热色散方程     

有限磁场作用下等离子体圆柱波导中的线性理论

 考虑了有限磁场的作用,利用“匹配场法”推导出填充环形等离子体时圆柱波导的色散方程,并较详细地讨论了等离子体的厚度、密度, 以及所加磁场强度对色散特性的影响。尤其讨论了等离子体厚度对增长率的影响并得出：对应最大的增长率有一最佳的等离子体厚度。