速调管放大器输入腔的匹配理论和模拟研究

基于输入微波与腔体耦合的等效电路模型,对于任意的腔体和电子束参数,建立了任意的输入微波与腔体耦合的速调管放大器输入腔的两种匹配状态的理论。建立了带有互感和电子束等效电阻和电容等参数的输入腔等效电路模型,推导了入射功率与反射功率的表达式,以及输入微波与带有电子束的输入腔耦合的完全匹配状态和任意的耦合这两种情形时输入功率和间隙电压关系的公式。推导了完全匹配状态时输入微波工作频率与输入腔有载品质因数的表达式。推导了复耦合系数等于1时输入腔外观品质因数与热腔品质因数的表达式,得出了当工作频率等于输入腔谐振频率,输入腔外观品质因数与热腔品质因数相等,且满足电子束等效电容远小于1时接近达到匹配状态,与传统理论基本一致。通过对比两种状态时的入射功率,得出了匹配状态时的入射功率小于复耦合系数等于1时入射功率的结论。通过对比复耦合系数等于1时新理论和传统理论的入射功率,得出不考虑电子束等效电容情况下两者相等的结论。采用二维粒子模拟的模型与匹配理论进行了对比,粒子模拟与理论基本一致。根据匹配理论找到了接近匹配状态的工作频率与有载品质因数以及较小的输入功率。

X波段相对论速调管放大器同轴双间隙输出腔输出特性

设计了工作在X波段的相对论速调管放大器同轴双间隙输出结构,并采用3维PIC程序对其进行了粒子模拟,分析了输出微波功率随直流渡越角、输出腔品质因数值等相关参数的变化,对输出腔体结构进行了优化设计。模拟结果表明:同轴双间隙输出结构可以降低束流的势能,增加束流与腔体的作用时间,提高速调管的微波提取效率。模拟中采用束压600kV、束流5kA、调制深度100%和峰值频率9.37GHz的电子束以及1T的轴向引导磁场强度,得到了周期平均功率1.2GW、峰值频率9.37GHz、效率40%的微波输出。

X波段高重频长脉冲高功率多注相对论速调管放大器的设计与实验研究

多注相对论速调管放大器向工程化和实用化方向发展,需要进一步提高其工作重频和使用寿命.针对高功率多注相对论速调管放大器在输出腔间隙电子束换能后,会出现电子返流轰击输出腔表面,以及输出腔间隙电场过高产生射频击穿导致输出腔表面出现烧蚀的问题,本文分析了强流相对论电子束在器件中的返流过程,在此基础上设计了四间隙扩展互作用提取结构以避免电子返流和降低间隙电场,并提高器件工作寿命.同时针对高工作频段高过模器件中常规水冷却通道会影响输出微波模式的问题,设计了同轴TEM模-扇形TE10模-同轴TEM模-圆波导TM01模的模式变换结构,模式转换效率大于99.9%,避免了收集极水冷却通道对输出微波模式的影响,以提高器件工作重频.在重频45 Hz工作条件下,实验实现X波段长脉冲GW级高功率微波稳定输出,器件累计运行约10000次,输出微波参数无明显下降.

X波段长脉冲多注相对论速调管放大器杂模振荡抑制

为进一步提高相对论速调管放大器(RKA)的工作频率和输出功率,开展了X波段GW级长脉冲多注RKA实验研究,对实验中出现的杂模振荡现象进行了模拟和实验分析。结果表明,电子回流是导致实验中出现杂模振荡的主要因素,采取了相应措施减少电子回流从而抑制杂模振荡,实现多注RKA输出微波功率约为0.98GW,脉宽为95ns,频率为9.405GHz。

X波段同轴多注相对论速调管放大器模拟研究

设计了工作在X波段的同轴多注相对论速调管放大器,建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型,采用三维电磁粒子模拟软件对其高频特性进行了优化设计,对电子束经过输入腔后的束流调制、注入微波吸收情况、中间腔对束流的调制以及输出腔的微波提取情况进行了模拟研究.在输入微波功率为70kW,电子束束压为600kV,束流为5kA,轴向引导磁感应强度为0.6T的条件下,输出微波功率达到了1.3GW,效率为43%,增益为42dB,在较低的输入微波功率和较小的轴向引导磁感应强度的情况下,模拟实现了X波段RKAGW级的微波功率输出.

X波段高功率高增益多注相对论速调管放大器设计

针对器件工程应用中的高功率高增益需求,设计了工作在X波段的高功率高增益多注相对论速调管放大器,建立了带输入、输出波导结构的三维整管模型。设计双边对称耦合孔输入腔结构,降低了输入波导对输入腔间隙电场均匀性的影响以抑制非均匀干扰模式;设计采用多腔多间隙群聚结构,降低了输入微波功率的需求,提高了器件放大增益;并且分析设计了多间隙扩展互作用微波提取结构,提高了器件的功率转换效率以及降低输出结构表面电场强度。通过优化设计,粒子模拟仿真实现X波段多注相对论速调管放大器输出微波功率达到3.2 GW,器件放大增益约为60 dB,功率转换效率约为40%。器件验证实验在电子束电压550 kV,电流5.1 kA的情况下,输出功率为0.99 GW,放大增益约为53 dB,转换效率约为35%。

Ka波段带状注相对论扩展互作用振荡器的模拟设计

利用三维粒子仿真软件,对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用振荡器进行了模拟仿真设计。采用宽高比为30∶1的带状电子束以降低空间电荷效应,选择多间隙耦合腔为高频结构以增加器件功率容量,在电子束电压为400kV、束流为2kA、轴向引导磁感应强度为1T的情况下,器件输出微波功率为240 MW,频率为30GHz,效率为30%。

X波段三轴相对论速调管放大器的分析与设计

研究了三轴相对论速调管放大器(TRKA)的模式泄漏和自激振荡问题,对干扰模式的电场分布进行了分析,得知干扰模式在谐振腔中为TM21模,而在同轴漂移管中耦合为TE21模。针对干扰模式的传输特点采用在同轴漂移管中加载吸波材料的方式进行抑制,通过三维粒子仿真软件分析了吸波材料的电导率和几何参数对微波吸收的影响,根据仿真分析结果,对同轴漂移管中加载吸波材料的TRKA结构进行了三维模拟研究,结果表明吸波材料能够很好抑制TRKA的自激振荡,模拟仿真实现TRKA输出微波功率1.1GW,效率37%,增益42d B。

吉瓦级强流相对论多注电子束二极管的优化设计与实验研究

多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强流相对论多注电子束在二极管与多注漂移管中的运动过程进行了理论分析与粒子仿真模拟,得到强流相对论多注电子束的传输运动规律.对多注二极管的结构进行了优化设计,仿真设计实现强流相对论多注电子束的传输通过率达到99%,并且开展了验证实验研究,实验在电子束电压为801 kV,电流为9.3 kA的情况下,电子束的传输通过率达到92%.

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.

线性变压器源驱动相对论速调管放大器的初步实验

利用新研制的紧凑型线性变压器驱动源(LTD)脉冲功率源二极管产生的电子束源,开展了S波段长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的初步实验研究。采用无箔空心阴极和0.9T恒流源引导磁场从LTD二极管引出了电压600kV、束流6kA、脉宽150ns的环形电子束,该电子束经过1个同轴输入腔和2个同轴调制腔的调制后,产生了幅度5kA、脉宽110ns的基波调制束流,采用该调制束流驱动同轴微波提取腔,辐射输出了峰值功率820MW/110ns的辐射微波,效率28%,增益36dB。同时,开展了重复脉冲RKA和相位特性的实验研究,重复频率10Hz运行时,辐射微波达到800MW/100ns,相位抖动小于20°。

强流多注电子束高效率引入的模拟研究

强流相对论多注速调管相对于单注速调管具有导流系数低,输出功率高和效率高的优点,并且可以明显降低引导磁场强度,因此得到快速发展。但是其多注电子束引入漂移管效率低的问题,影响了多注速调管的整管效率,限制了其稳定高效运行和应用推广。论文采用粒子仿真软件CHIPIC对多注速调管二极管爆炸发射过程进行仿真研究,寻找影响多注速调管引入效率的主要因素,并对阴极结构进行了优化,设计出三种两段式新型多注阴极结构并进行冷阴极爆炸发射模拟研究。研究结果表明:给定参数下,常规结构由于底座边缘的不必要的环形电子束发射,只能达到82%的引入效率,而三种新型阴极结构通过抑制不必要电子发射,引入效率都可以提高至95%以上,最高达到99%。

强流相对论多注电子束在空心圆柱波导中的漂移

建立了多注电子束在空心圆柱波导中传输的理论模型,定量分析了多注电子束自电磁场力与镜像电磁场力对其角向运动的影响,并推导了考虑镜像束流影响下多注电子束的布里渊磁场.开展了模拟仿真研究,模拟与理论计算结果基本一致.研究发现:当电子束注数较少且靠近波导管壁传输时,镜像电磁场力是影响多注电子束角向漂移的主要因素;随着电子束注数或电子束与波导壁间距的增加,镜像电磁场力迅速减小并趋近于零,此时自电磁场力起主导作用;在一般情况下,漂移角速度的变化百分比只与加速电压有关,与多注电子束的注数、空间位置关系等参数无关.在输出电压约670 kV,电流约7 kA,空心圆柱波导长约100 mm的平台上开展了实验研究,研究发现多注电子束存在明显的畸变,通过进一步的分析认为多注阴极柱的侧面发射是导致电子束畸变的一个主要因素,并且二极管加速区的角向漂移不可忽视.提出并模拟验证了采取倾斜多注阴极柱的方法可提高电子束的引入效率.

S波段多注相对论速调管放大器的数值模拟

利用3维电磁场与粒子模拟软件对S波段多注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定腔体的冷腔高频特性,采用3维的粒子模拟软件(PIC)模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明:通过引入同轴谐振腔结构,使电子注不必集中在谐振腔中心通过,降低了电场不均性对束波互作用的不利影响;通过引入多电子注,电子在相对较低的轴向聚焦磁场下依然拥有较高的通过率,降低了速调管对聚焦磁场的要求。模拟中采用3个同轴谐振腔进行束波互作用,在输入电压700kV、束流5.8kA和聚焦磁场0.4T的情况下,得到了功率1.4GW的输出微波,效率为35%。

碳碳复合阴极在相对论速调管放大器中的应用

研制了一种碳纤维分布具有高取向性的碳碳复合材料,并采用该材料制作的阴极开展了相对论速调管放大器的实验研究。实验结果表明:碳碳复合阴极爆炸发射的点火机制以尖端场增强为主,运行1000发后碳纤维结构稳定,重复频率25Hz运行时输出微波功率大于1GW,脉冲宽度大于100ns,阴极发射电流密度约3.82kA/cm2。碳碳复合阴极在启动速度、电流延迟时间及阻抗特性等方面性能还有待进一步的研究。

强流脉冲驱动的X波段多注相对论速调管相位特性

相位特性是目前制约多注相对论速调管放大器进一步拓展应用的关键参数之一,为了有效提高器件输出微波相位的稳定性,利用一维非线性理论对X波段强流多注速调管放大器开展了理论研究,得到由强流脉冲特性引起的腔体杂频以及电子束运动速度变化率是造成输出微波相位波动的部分主要原因,同时基于18注实心电子束构成的X波段多注相对论速调管放大器开展了强流脉冲特性对输出微波频率和相位影响的数值计算,最后利用粒子模拟手段对理论结果进行验证。理论和模拟结果一致表明:强流脉冲的前沿和波动都将导致器件内实际工作频率的偏移,并引起相位波动;在脉冲前沿段,脉冲前沿长度越短,器件内实际工作频率偏移越大,相位波动幅度越大;在脉冲平顶段,脉冲波动导致的频率偏移与电压变化率相关,与电压的幅值无关,而脉冲电压波动导致的输出微波相位波动由电压变化率及其变化幅度两者共同决定。

宽谱窄脉冲高功率微波产生的初步研究

为了探索短电脉冲产生高功率微波技术,采用理论和粒子模拟方法分析了短电脉冲(脉宽不大于30ns)驱动S波段相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)产生高功率宽谱的技术可行性,开展了原理性的实验验证。采用Marx发生器产生的前沿15ns、后沿30ns、电压560kV、束流2.8kA的类三角形电子束脉冲激励REICO,模拟产生了410MW、脉宽8ns、相对瞬时带宽2.7%的微波,实验输出了160MW、脉宽10ns、中心频率2.75GHz、瞬时相对带宽2.8%的高功率微波。

强流脉冲电子束特性对相对论速调管相位的影响分析

相位特性是强流相对论速调管放大器(RKA)的一个重要特征参数,而由高功率脉冲功率源产生的具有一定前沿的强流相对论电子束在驱动RKA时,会使得输出微波出现较大波动,影响RKA的输出微波相位稳定性及其应用.论文从强流脉冲电子束前沿分布状态出发,理论分析电子束前沿束流能量变化及其激励的腔体杂频对输出相位的影响,同时开展粒子模拟研究以及实验研究.研究结果表明:脉冲前沿段电子束能量变化将导致输出微波相位持续变化;此外,电子束前沿将激励杂模,导致输出微波相位在脉冲前沿段及平顶段初期持续抖动,在腔体参数一定条件下,脉冲前沿能量变化率越大,相位波动幅值越大,持续时间越长,通过减小杂频振荡频率处腔体的Q值可以有效缩短输出相位抖动时间,提高输出相位稳定性.

多注RKA束流调制的理论与模拟比较分析

采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性,并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子,然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程,并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600kV、束流为5kA的16注电子束,当输入腔间隙电压分别为4.6,32.7,189kV时,采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系,理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6kV时,理论计算了多注电子数的个数分别为8,12,16以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15,8/15,10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明,随着多注电子数的个数和电子束半径的增加,基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20kV时,归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。

强流RKA宽带研究

理论分析了影响相对论速调管(RKA)输出带宽的相关因素,同时采用粒子模拟程序分析了RKA输出带宽随电子束导流系数,电子束尺寸,中间腔及输出腔参数的关系。理论分析研究表明,输出频宽主要与输出腔入口处调制电流以及输出腔Q值有关。模拟中器件稳定工作的参数范围内,随着器件导流系数和输出腔谐振频率对输出带宽有一定影响;中间腔谐振频率接近注入微波最佳工作频率时,频宽有最大值;电子束尺寸,中间腔以及输出腔渡越角对输出频宽影响较小。