70 GHz二次谐波倍频回旋速调管研究

 对70 GHz二次谐波倍频回旋速调管高频结构和电子与波互作用进行了研究。研究了TE02模腔体绕射品质因数及模式转化,解决了二次谐波倍频回旋速调管漂移段不能截止70 GHz的TE01模而引起的腔体间高频串扰的问题。分析了注电流、输入功率、电子横纵速度比和电子注引导中心半径等参数对输出功率、增益和效率的影响。针对二次谐波回旋速调管放大器工作频带窄、效率低,进行了高频结构优化设计,显著地展宽了工作频带,提高了互作用效率。在理论分析和高频计算的基础上,建立了注-波互作用PIC（粒子模拟）模型,进行了粒子模拟计算和优化,得到了70 GHz 的二次谐波倍频四腔回旋速调管放大器设计方案。粒子模拟结果表明：在工作电压70 kV,注电流13 A,电子注横向速度与纵向速度比为1.5时,中心频率69.81 GHz输出功率256 kW,带宽160 MHz,电子效率28%,饱和增益大于44 dB。     

回旋速调管变周期TE01-TE11模式变换器

针对蛇形圆波导变换器尺寸大和带宽窄的不足,提出了变周期蛇形圆波导模式变换器,以实现TE01到TE11模式的高效率转换。根据耦合波方程,编制了优化计算程序,对工作于30.5 GHz、半径为16 mm的变周期以及传统蛇形变换器几何结构分别进行了优化计算,得到了可实现最高模式变换效率的几何参量。计算结果表明：传统结构变换器最优长度长达1 056.97 mm,转换效率98.1%,90%以上转换带宽也仅为3.3%;变周期变换器最优长度为769.53 mm,转换效率为99.3%,90%以上转换带宽为5.9%。变周期结构相对于传统结构的模式变换器具有尺寸小和带宽宽的明显优势。测试表明所提出的模式变换器具有良好的模式变换性能。     

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。     

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。     

Calculation of the Electron Efficiency for a Two-Cavity Gyroklystron Amplifier by Using a Self-Consistent Code

The beam-wave interaction in a Ka-band, two-cavity fundamental gyroklystron amplifier is studied by using a self-consistent nonlinear simulation code. The electron efficiency for this gyroklystron amplifier is calculated, and the effect of various parameters, such as beam voltage, beam current, electron guiding center radius, velocity pitch ratio and drift tube length on the electron efficiency is discussed in detail.     

3 mm波段回旋速调管放大器设计与粒子模拟

设计了一支3 mm 波段基波回旋速调管,该回旋速调管工作在低损耗的TE01模式,包含四个谐振腔。首先使用线性理论确定工作参数的大致范围, 然后采用HFSS软件设计单个谐振腔,通过调整谐振腔尺寸和腔壁介质层参数使谐振腔的谐振频率和Q值符合设计要求, 最后使用粒子模拟程序优化设计了回旋速调管的互作用电路,研究了谐振腔参差调谐方案, Q值对回旋速调管性能的影响, 互作用电路的稳定性以及电子注参数变化对注-波互作用性能的影响。PIC粒子模拟结果表明,在电子注电压65 kV, 电流6 A, α(V⊥/V∥)1.5, 工作磁场3.6 T时,回旋速调管的3 dB带宽约为600 MHz,在93.7 GHz获得139 kW 的峰值输出功率,效率为35.6%,增益为28.4 dB。模拟中没有考虑电子注速度零散的影响。     

回旋速调管输入耦合器分析与设计

对Ka波段工作模式为TE01模和TE02模的两种回旋速调管的输入耦合器进行了详细研究,利用模式匹配理论和HFSS建模仿真计算了内圆柱腔和外同轴腔的尺寸;提出了一种与软件计算相结合的模式纯度计算方法,对内腔工作模式纯度、内外腔能量分数进行了计算。内腔侧面上的耦合缝的大小、角向位置都直接决定外同轴腔内的TEm11模向内圆柱腔的TE0n1模的耦合情况。针对耦合缝与输入波导成45°和0°分布两种情况,研究了耦合缝长、宽和角向偏移,以及内外腔频差对频率、Q值及内腔能量分数的影响。分别设计了Ka波段内腔工作模式为TE011、外腔为TE411和内腔TE021、外腔TE811的两种输入耦合器,并利用矢量网络分析仪对内腔工作模式为TE011的耦合器进行了冷高频测量,测得频率为34.257 GHz,与计算结果34.300 GHz仅相差43 MHz。     

回旋速调放大器输入谐振腔分析及数值模拟

输入谐振腔将波导输入的高频信号转化为内腔中工作模式的驻波场,以实现对回旋电子注角向速度的调制。对输入谐振腔的同轴谐振腔和两端开孔的圆柱谐振腔分别进行了解析分析,数值计算中引入修正来反应耦合狭缝的影响,几min就能完成一种结构尺寸的计算分析。通过优化得到输入谐振腔的初步结构和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS进行精确的模拟和修正,提高模式转化效率和纯度,获得了高性能的输入谐振腔。     

Novel Applications of Millimeter and Submillimeter Wave Gyro-Devices

The possible applications of high-power millimeter (mm) and submillimeter waves from gyro-devices span a wide range of technologies. The plasma physics community has already taken advantage of recent advances in applying high-power micro- and mm-waves generated by gyrotron oscillators in the areas of RF-plasma production, heating, noninductive current drive, plasma stabilization and active plasma diagnostics for magnetic confinement thermonuclear fusion research, such as lower hybrid current drive (8 GHz), electron cyclotron resonance heating (ECRH) (28–170 GHz), electron cyclotron current drive (ECCD), collective Thomson scattering and heat-wave propagation experiments. Other important applications of gyrotrons are electron cyclotron resonance (ECR) discharges for generation of multi-charged ions and soft X-rays, as well as industrial materials processing and plasma chemistry. Submillimeter wave gyrotrons are employed in high-frequency broadband electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Future applications which await the development of novel high-power gyro-amplifiers include high resolution radar ranging and imaging in atmospheric and planetary science as well as deep-space and specialized satellite communications and RF drivers for next-generation high-gradient linear accelerators (supercolliders). The present paper reviews the state-of-the-art and future prospects of these recent applications of gyro-devices.     

Ka波段二次谐波回旋速调管放大器输入耦合器的分析与模拟

对应用于Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的一种输入耦合器进行了分析,并利用三维电磁模拟软件HFSS和ISFEL3D对其进行了模拟与设计。研究结果表明,该输入耦合器具有较高的能量耦合效率,并能在Ka波段获得高纯度的TE021谐振模式。