C波段50 MW行波输出速调管设计

设计了导流系数1.53 P的电子枪,枪内场强低于22.1 kV/mm,阴极平均负载小于6.3 A/cm2;采用部分屏蔽流均匀场电磁聚焦系统,实现了对电子注的良好聚焦;设计了C波段/2模盘荷波导行波输出结构,采用CST软件对其色散特性、耦合阻抗进行了计算分析。首先以单间隙输出腔代替行波输出结构对5腔注-波互作用系统进行计算,确定了前4腔的设计参数,然后采用PIC模拟软件对具有盘荷波导结构的输出系统进行了三维模拟,获得了大于50 MW的输出功率,效率大于45%,饱和增益大于50 dB,盘荷波导结构间隙电压比单间隙输出腔下降30%,效率提高4%。     

互耦相对论返波管等同锁相和功率放大的粒子模拟

推导了两个互耦高功率微波振荡系统等同锁相后的锁定频率公式,并利用粒子模拟软件对两个互耦相对论返波管进行了数值仿真实验。模拟时将相同结构的两个相对论返波管并排放置在一起,在它们的慢波结构的第１个波谷处,用一条饼状狭缝将它们并联起来,分别输入不同的加速电压,让它们工作于不同的状态。粒子模拟的结果表明：这两个并联的互耦相对论返波管之间进行了等同锁相,它们的频率都被锁定在同一个特定的频率点上,且其注波能量转换效率都提高了,总输出功率比单独工作时的总功率增加了约10%,同时耦合之后功率输出更平稳。     

397 GHz斜注管互作用系统的设计模拟

斜注管是返波振荡器的一种,通过电子注的倾斜,电子距离慢波结构更近,高频场更强,耦合阻抗和互作用效率更高,显著增加输出功率。对带状注斜注管的互作用系统进行了设计,并首次将双排齿慢波结构应用于斜注管。利用电磁模拟软件和3D粒子模拟软件对设计的斜注管的色散曲线和场分布进行了分析,并对其注-波互作用进行了模拟,可以得到大于100 mW的输出功率以及50 GHz的调谐带宽。输出功率在370.5 GHz频点处处达到峰值2.3 W,电子注电压7.0 kV,注电流120 mA,聚焦磁场1.0 T。     

回旋速调管注-波互作用非线性理论研究

利用自洽非线性理论对回旋速调管放大器中的电子注-波互作用进行了时域瞬态分析,建立了多腔回旋速调管非线性理论,给出了相应的电子运动方程和复数形式的互作用瞬态场方程。给出并分析了一支工作在TE01模Ka波段四腔回旋速调管注-波互作用的数值计算结果,当电子注电压为72.8 kV,电流为11.8 A,速度零散为5%时,可以得到335 kW的最大饱和功率输出,39.6%的电子效率及320 MHz的饱和带宽,与实验值相比较,二者较为吻合。     

L波段端面发射高效率磁绝缘线振荡器

建立了磁绝缘线振荡器自磁绝缘的理论模型,给出了磁绝缘电流计算公式。然后给出了非线性稳态的最大轮辐电流计算公式,并据此分析了负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率。提出一种新型的端面发射型磁绝缘线振荡器,在二极管电压590 kV,二极管电流为55.47 kA情况下,粒子模拟得到周期平均功率6.1 GW左右,工作主频为1.24 GHz,束波转换效率18.64%左右。端面发射型磁绝缘线振荡器的效率比负载限制型磁绝缘线振荡器的最大效率提高6%左右。端面发射的电流不参与束波互作用,由于端面发射的电流比较小,在总电流不变的情况下参与束波互作用的电流增多,从而提高了效率。最后分析了角向磁场的分布以及自磁绝缘的情况。     

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。     

高功率微波在低电离层中的互作用效应分析

高功率微波在低电离层中传输时会产生非线性效应。分析了低电离层中HPM的互作用效应,推导了HPM在低电离层中传输的互作用因子同初始场强和微波频率的关系,并对不同条件下振幅交调深度同两个脉冲的延迟时间之间的关系进行了理论研究与数值模拟。结果表明：改变脉冲的延迟时间,振幅交调深度的变化规律也随之改变;为了减少吸收衰减,低电离层中传输的HPM电波的干扰波电场初始振幅与特征等离子体电场振幅的比值应保持在10以下。     

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。     

扩展互作用振荡器非线性理论与模拟

为了对扩展互作用振荡器(EIO)进行更为高效研究与设计,提出了一种非线性理论与数值模拟相结合的方法对其进行分析,编制了基于一维电子圆盘模型的数值计算程序,并结合MAGIC模拟结果对其准确性进行了讨论。非线性模拟中,35 GHz EIO输出功率为125 W,频率为35.01 GHz,对应的MAGIC模拟结果分别为100 W,35.11 GHz;110 GHz EIO输出功率为220 W,频率为107.9 GHz,对应的MAGIC模拟结果分别为190 W,107.93 GHz。非线性方法使得模拟速度有了很大的提高,单次计算时间小于5 min,并且所得数据与传统软件模拟得到的特性曲线相比变化趋势一致、数值上也较为接近。     

求解二维结构-声耦合问题的一种半数值半解析方法

基于传递矩阵法和虚拟源强模拟技术提出了一种求解在谐激励作用下二维结构-声相互作用问题的半数值半解析法.在足够小的积分步长内,文中对任意形状弹性环沿周向曲线坐标的非齐次状态微分方程组,建立了一种齐次扩容方法.对于外声场,采用多圆形虚拟源强配置方案,并在每一条圆形配置曲线上将源强密度函数用Fourier级数展开,同时结合快速Fourier变换法,提出了一种高精度、高效率求解任意形状二维孔穴Helmholtz外问题的快速算法.在耦合方程的求解方面,根据叠加原理,将外激励和虚拟源强的Fourier级数展开项作为广义力分别作用在弹性环上,借助齐次扩容方法和精细积分法求得弹性环的状态向量,再利用流固交接条件和最小二乘法直接建立了耦合系统的求解方程.文中给出了二个典型弹性环在集中谐激励力作用下声辐射算例,计算结果表明该文方法较通常采用的混合FE-BE法更为有效.