螺旋坐标系下考虑厚度的螺旋线行波管小信号研究

采用螺旋坐标系对有限厚度的螺旋带行波管进行了注波互作用的线性理论分析,利用自洽场理论得出了此结构中引入电子注后的热色散方程,数值计算了其小信号增益,分析了电子注参数和螺旋线厚度对于螺旋线慢波系统的色散特性的影响。结果表明：螺旋线厚度的增加,行波管的小信号增益也会增加,且带宽也略有增加。该结论为高增益宽频带的螺旋线行波管放大器的设计提供了理论基础。     

脊加载螺旋槽行波管的小信号增益计算

脊加载螺旋槽行波管是一类新型毫米波大功率器件,给出了此结构中引入电子注后的“热”色散方程,并利用“牛顿”下山法求解了此复系数超越方程.通过数值计算给出了一个工作电压为20kV频率为474GHz的脊棱加载慢波结构的具体尺寸,并对此结构中小信号增益随脊尺寸的变化情况及电子注参数对其影响进行了研究,计算结果表明：此结构适宜于作为高增益窄带毫米波大功率行波管的慢波线,其3dB增益带宽为34%;为了展宽其工作带宽,可以适当减小间隙宽度,也可在一定范围内提高电子注电流.给出的理论对于研制此类行波管具有一定的指导意 关键词：     

等离子体加载螺旋线行波管特性研究

利用线性场理论和螺旋线的导电面模型，推导了在强引导磁场下，等离子体加载螺旋线慢波结构的色散关系.数值计算了在不同的等离子体填充密度与填充半径条件下，螺旋线的色散特性、耦合阻抗和行波管的小信号增益.研究发现，在螺旋线中填充了等离子体以后，形成了一种新的混合模式，螺旋线的色散特性与耦合阻抗都发生了很大的变化，行波管的增益得到显著提高. 关键词： 螺旋线行波管 等离子体 混合模式     

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。     

介质加载回旋行波管小信号分析

应用分析回旋行波管绝对不稳定性的Briggs-Bers相碰判据与小信号色散方程,结合介质加载波导的冷场分析,数值计算并比较了不同介质加载条件下回旋行波管工作模式的起振电流与寄生模式的起振长度。改变加载介质的特性参数可以增加行波损耗从而显著提高工作模式起振电流,并抑制掉寄生模式的返波振荡。结合介质加载波导冷场分析与回旋行波管小信号色散方程,分析了介质加载条件下回旋行波管小信号增益,计算得出了不同介质加载条件下的回旋行波管的小信号增益带宽曲线。     

介质加载回旋行波管小信号分析

 应用分析回旋行波管绝对不稳定性的Briggs-Bers相碰判据与小信号色散方程,结合介质加载波导的冷场分析,数值计算并比较了不同介质加载条件下回旋行波管工作模式的起振电流与寄生模式的起振长度。改变加载介质的特性参数可以增加行波损耗从而显著提高工作模式起振电流,并抑制掉寄生模式的返波振荡。结合介质加载波导冷场分析与回旋行波管小信号色散方程,分析了介质加载条件下回旋行波管小信号增益,计算得出了不同介质加载条件下的回旋行波管的小信号增益带宽曲线。     

螺旋线行波管返波自激振荡的研究

在2维小信号模型的基础上,分析了均匀和周期永久聚焦磁场对抑制返波自激振荡的影响。研究结果表明：改变聚焦磁场的幅值或周期来增加起振长度是可能的, 而且不会改变基波的互作用条件。与此同时,对起振长度、初始非同步速度参量随皮尔斯增益参量、空间电荷参量、损耗参量等的变化,以及在超宽带行波管中当存在两个或多个角向非对称空间谐波时,起振长度、初始非同步速度参量随周期永久聚焦磁场的变化进行了研究。优化设计聚焦磁场、电子注和螺旋线慢波系统的参量可以对螺旋线行波管的稳定性分析提供必要的依据。     

螺旋线行波管返波自激振荡的研究

 在2维小信号模型的基础上，分析了均匀和周期永久聚焦磁场对抑制返波自激振荡的影响。研究结果表明：改变聚焦磁场的幅值或周期来增加起振长度是可能的， 而且不会改变基波的互作用条件。与此同时，对起振长度、初始非同步速度参量随皮尔斯增益参量、空间电荷参量、损耗参量等的变化，以及在超宽带行波管中当存在两个或多个角向非对称空间谐波时,起振长度、初始非同步速度参量随周期永久聚焦磁场的变化进行了研究。优化设计聚焦磁场、电子注和螺旋线慢波系统的参量可以对螺旋线行波管的稳定性分析提供必要的依据。     

螺旋线行波管注波互作用时域理论

研究了螺旋线行波管中电子注与高频场互作用的时域理论.电子对场的作用由高频场方程和空间电荷场方程模拟,场对电子注的作用由运动方程模拟.在螺旋导电面模型下利用安培环路定理和法拉第电磁感应定律得到了时域高频场方程.利用空间电荷波模型处理空间电荷场,得到了空间电荷场方程.将高频场和空间电荷场代入洛伦兹力方程,得到了运动方程.利用耦合阻抗处理高频场方程的激励源,使得高频场方程的求解能够借助诸如HFSS或HFCS等高频模拟软件来实现,增强了时域理论的灵活性.基于上述理论,编写软件数值模拟某螺旋线行波管,验证了时域理论的可行性.     

行波管相位一致性的理论研究与计算机模拟

 采用行波管一维大信号非线性理论,建立了高频参数和外部工作状况零散模型,对影响增益、相位频率特性的主要因素进行了理论分析和数值计算,分析了如何合理地选择相位一致行波管工作点,为新近研制的相位一致行波管提供了计算机模拟并得到了很有价值的计算结果。     

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。     

Small-signal analysis of a rectangular helix structure traveling-wave-tube

This paper investigates the properties of traveling wave-beam interaction in a rectangular helix traveling-wave-tube (TWT) for a solid sheet electron beam. The `hot' dispersion equation is obtained by means of the self-consistent field theory. The small signal analysis, which includes the effects of the beam parameters and slow-wave structure (SWS) parameters, is carried out by theoretical computation. The numerical results show that the bandwidth and the small-signal gain of the rectangular helix TWT increase as the beam current increases; and the beam voltage not obviously influences the small signal gain. Among different rectangular helix structures, the small-signal gain increases as the width of the rectangular helix SWS increases, however, the bandwidth decreases whether structure parameters a and L or ψ and L are fixed or not. In addition, a comparison of the small-signal gain of this structure with a conventional round helix is made. The presented analysis will be useful for the design of the TWT with a rectangular helix circuit.     

Theoretical research on the performance of a practical helix travelling wave tube

On the basis of a rigorous field theory, two different physical models of attenuator and sever have been proposed. One is named High attenuation （HATT） model in which both attenuator and sever are considered as a unified attenuator, but the sever is regarded as an area of very high loss; the other is called Sever and attenuator （SATT） model in which the sever is modelled as a drift area in which the electric and magnetic fields both vanish. A complex function is derived and potential sinking effect is also considered. Thus, a set of more practical self-consistent equations of nonlinear beam-wave interaction is formulated. Simulations are carried out under the conditions of the two different physical models, and the simulation results are compared with the experimental data. The results show that in the case of single signal drive, the unknown second harmonic should be included for predicting the saturated output power. It is also evident that the SATT model and the HATT model predict the same physical nature, whereas the results predicted by the HATT model are much closer to the experimental data than those obtained from the SATT model. Therefore, these results provide a strong theoretical basis for designing broadband and high gain helix travelling wave tubes.     

行波管相位一致性的理论研究与计算机模拟

采用行波管一维大信号非线性理论,建立了高频参数和外部工作状况零散模型,对影响增益、相位频率特性的主要因素进行了理论分析和数值计算,分析了如何合理地选择相位一致行波管工作点,为新近研制的相位一致行波管提供了计算机模拟并得到了很有价值的计算结果。     

螺旋线行波管电子效率改善的数值模拟

运用全电磁2.5维粒子模拟软件MAGIC和3维高频结构仿真软件HFSS,模拟仿真了正-负双跳变慢波结构对螺旋线行波管电子效率的改善,从慢波系统高频参量、非同步参量、增益参量和电子注相位等角度进行了讨论。设计并加工了一支采用双跳变结构的螺旋线行波管,实测结果表明：采用双跳变结构后可将电子效率从19%提高到29%;模拟仿真方法得到的平均相对误差为5%左右。     

A three-dimensional time-dependent theory for helix traveling wave tubes in beam-wave interaction

This paper presents a three-dimensional time-dependent nonlinear theory of helix traveling wave tubes for beamwave interaction.The radio frequency electromagnetic fields are represented as the superposition of azimuthally symmetric waves in a vacuum sheath helix.Coupling impedance is introduced to the electromagnetic field equations’ stimulating sources,which makes the theory easier and more flexible to realize.The space charge fields are calculated by electron beam space-charge waves expressed as the superposition solutions of Helmholtz equations.The focusing forces due to either a solenoidal field or a periodic permanent magnetic field is also included.The dynamical equations of electrons are Lorentz equations associating with electromagnetic fields,focusing fields and space-charge fields.The numerically simulated results of a tube are presented.