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.     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

螺旋线行波管慢波结构设计及注波互作用模拟

通过模拟计算,分析螺旋线内径和螺距变化对色散和耦合阻抗的影响,优化慢波结构,初步设计了Ku波段螺旋线行波管慢波结构。模拟行波管输入输出结构,得到输入端反射系数小于-19 dB,电压驻波比小于1.24。电子聚焦系统采用周期永磁聚焦,磁场周期为8.5 mm,计算得到磁场峰值为0.17 T。为提高注波互作用效率,采用具有动态速度渐变特性的慢波结构,使得电子注与高频场有足够的互作用时间,从而保证电子不断地将能量交给高频场。运用三维PIC粒子模拟软件分析行波管的注波互作用,得到在12.5~16 GHz频率范围内输出功率大于88.7 W,电子效率大于14.8%,增益大于34.6 dB。     

螺旋线行波管三维频域非线性注波互作用的计算

基于行波管中慢电磁行波的周期传输特性和能流坡印廷定理,考虑高频结构的衰减、切断、螺距的渐变与跳变对互作用的影响,建立了螺旋线行波管三维场论非线性自洽工作方程组.通过傅里叶展式将时域中的电流变换为与频率相关的交流电流分量,采用等离子体粒子模拟的方法,求解离散化的亥姆霍兹方程获得空间电荷场的三维数值解.计算三维电子轨迹,得到精确的互作用后的电子能谱结构,为多级降压收集极的设计提供关键参数.计算结果与电子所Ku波段的测试值比较具有较好的一致性,并分析了互作用后的电子能谱结构,与多级降压收集极的实验基本符合. 关键词： 行波管 非线性注波互作用 空间电荷场 等离子体粒子模拟     

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%。     

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     

宽带大功率螺旋线行波管返波振荡研究

在一维场论注-波互作用理论的基础上,引入磁场对角向速度的影响,建立了二维非线性返波注-波互作用理论,模拟返波振荡.对不同空间电荷参量下起振长度的变化进行了小信号分析比较,结果与等效线路模型比较接近;对某8—18GHz行波管进行了实测比较,结果也比较一致.同时还研究了影响返波振荡起振长度的因素,提出了该管的抑制返波振荡方案.     

宽带大功率螺旋线行波管返波振荡研究

在一维场论注-波互作用理论的基础上,引入磁场对角向速度的影响,建立了二维非线性返波注-波互作用理论,模拟返波振荡.对不同空间电荷参量下起振长度的变化进行了小信号分析比较,结果与等效线路模型比较接近;对某8—18 GHz行波管进行了实测比较,结果也比较一致.同时还研究了影响返波振荡起振长度的因素,提出了该管的抑制返波振荡方案.     

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。     

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。     

螺旋线行波管1维多频非线性理论与模拟

 采用CHRISTINE报告中的1维多信号非线性互作用模型,在其场方程、相位方程和含空间电荷场的运动方程的表达式基础上,增加了切断区域的工作方程组,并考虑了电位下沉带来的影响。基于此非线性互作用工作方程组编写了数值计算程序。为了便于对行波管互作用进行模拟设计时选择最佳工作电压和输入功率,在程序中加入了扫描电压和输入功率的功能。对某行波管注波互作用过程进行了模拟,并分析了谐波和互调的影响。由于计算速度快,模拟结果较好,对螺旋线行波管的初步设计和验证具有较强的指导意义。     

螺旋线行波管1维多频非线性理论与模拟

采用CHRISTINE报告中的1维多信号非线性互作用模型,在其场方程、相位方程和含空间电荷场的运动方程的表达式基础上,增加了切断区域的工作方程组,并考虑了电位下沉带来的影响。基于此非线性互作用工作方程组编写了数值计算程序。为了便于对行波管互作用进行模拟设计时选择最佳工作电压和输入功率,在程序中加入了扫描电压和输入功率的功能。对某行波管注波互作用过程进行了模拟,并分析了谐波和互调的影响。由于计算速度快,模拟结果较好,对螺旋线行波管的初步设计和验证具有较强的指导意义。     

螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用非线性理论

螺旋波纹波导回旋行波管与采用光滑圆波导的回旋管相比,有较大的带宽。介绍了该类回旋行波管的非线性注波互作用理论。计算结果表明该理论计算结果与实际实验报道的结果基本符合,相应的电子效率达到29%,饱和增益达到37 dB,工作磁场0.21 T,电压185 kV,电流19 A。     

脊加载曲折波导行波管注波互作用的线性理论研究

提出了一类新型毫米波大功率微波器件——脊加载曲折波导行波管,推导出了引入电子注后的"热"色散方程.通过数值求解此方程,研究了加脊尺寸和电子注参数对小信号增益影响.计算结果表明:通过适当的尺寸设计和工作参数的选择,此结构在Kα波段具有18.51%的3 dB增益带宽和1.15 dB/周期的增益;相比于常规曲折波导结构,脊加载结构在保证一定带宽的情况下,具有更高的增益和电子效率;为了进一步提高增益,可以适当增加脊宽度和高度,也可在一定范围内增加电子注电流. 关键词： 毫米波 曲折波导 脊加载 小信号增益     

耦合腔行波管慢波结构的数值模拟

利用三维电磁场程序MWS及周期性高频结构的场对称计算模型,对X波段休斯耦合腔慢波结构和Kα波段毫米波梯形耦合腔慢波结构进行了场结构的数值模拟,给出了满足整管设计要求的慢波结构,色散特性和耦合阻抗。     

分布损耗加载回旋行波管多模稳态注波互作用理论与比较证实

基于目前国际上实验研究的均匀介质加载和周期介质加载结构,建立了一种分布式损耗加载回旋行波管(gyro-TWT)多模稳态注波互作用理论.利用这一理论,以TE01模式基波gyro-TWT注波互作用为例,将Ka和W波段的理论结果与实验和软件仿真进行比较,以证实理论的合理性.     

双频相对论返波振荡器的数值模拟

提出了X波段双频两段式同轴相对论返波振荡器的物理模型,推导了该结构在冷腔时的TM0n模式色散方程,数值求解了两段式同轴波纹慢波结构TM01模色散曲线;用粒子模拟软件对其结构和电磁参数进行分析研究,优化得到的结构参数为第一、二段分别为10个和4个周期数,周期长度分别为0.50 cm和 0.73 cm,波纹幅值分别为0.13 cm和0.21 cm,平均半径为2.9 cm,同轴间隙为2.1 cm。结果表明:在环形相对论电子注电压为510 kV、电流为9.4 kA,引导磁场为0.7 T的条件下,器件得到了X波段稳定的高功率双频微波输出,其平均功率约为0.75 GW,平均功率效率为15.6%。