Ku波段全腔提取相对论磁控管仿真设计

为了拓展相对论磁控管工作频段,设计了一个Ku波段高效率全腔提取相对论磁控管。该器件采用20腔阳极结构,冷腔模拟结果表明其π模工作频率约为13.5 GHz。结合全腔轴向提取技术,在电压150 kV、电流0.41 kA、工作磁场0.4 T的条件下,PIC仿真得到38 MW的仿真功率,工作频率13.47 GHz;仿真得到的功率转换效率约61.6%。仿真结果表明该器件转换效率高,结构紧凑,具有实现轻小型永磁包装的潜质。

品质因数对TM_(02)模相对论返波管工作模式影响

结合理论分析和数值模拟,研究了TM_(02)模过模结构相对论返波管的模式竞争机制.理论推导得到波纹波导中混合模式与圆波导中对应模式的近似关系,以近似模式作为波导输入来计算包含的高频结构S11参数曲线,分析各模式的品质因数.三维粒子模拟结果显示,当TM_(02)模式的耦合阻抗优势明显时,束波作用点基本不受两端反射影响,输出的其他模式微波主要是由互作用模式转换而来;当耦合阻抗优势不明显时,品质因数的改变会影响束波相互作用,起振模式随之变化.各模式群速度接近时,谐振对工作模式的影响的实质是末端反射主导下的品质因数对模式的影响.品质因数和耦合阻抗对返波管工作模式的共同作用为在输出模式稳定的前提下优化输出功率、降低磁场提供了更大空间,使用多目标优化设计算法对相对论返波管进行优化,最终三维模拟得到的返波管输出功率达到534 MW,TM_(02)模式输出功率占比94.95%.

复杂结构共形全电磁粒子模拟技术研究进展

全电磁粒子模拟方法可准确模拟强电磁场与电子束之间的非线性相互作用,被广泛应用于真空电子器件的数值模拟研究及参数的优化设计。传统全电磁粒子模拟方法采用电磁场时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法计算器件内电磁场随时间的变化,但FDTD方法采用正六面体单元的结构网格,会带来阶梯误差;电磁场时域有限元(finite-element time-domain,FETD)方法采用非结构网格能准确描述复杂模型,可用于复杂结构的电磁场数值模拟,但需求解大型逆矩阵,无法适用于电大尺寸结构的数值模拟。为准确模拟复杂真空电子器件内电磁场与电子束之间的非线性相互作用,国内外学者在复杂结构共形全电磁粒子模拟技术方面取得了突破性研究进展,实现了基于共形FDTD方法的全电磁粒子模拟技术,开展了基于FETD方法的全电磁粒子模拟技术研究,并研制了数值模拟软件。为促进国内复杂结构共形全电磁粒子模拟技术研究及应用,本文首先对基于共形FDTD方法的全电磁粒子模拟技术研究中的关键技术进行了详细介绍,包括共形结构网格生成技术、电磁场共形FDTD技术、共形电子束发射技术;然后对基于FETD方法的全电磁粒子模拟技术中的关键技术进行了详细介绍,包括所采用的基函数、电磁场方程的求解、计算过程中满足的电荷守恒和高斯守恒定律;同时给出了两种模拟技术对典型真空电子器件的模拟结果。

时域间断伽辽金-粒子模拟方法研究进展

时域间断伽辽金-粒子模拟(discontinuous Galerkin time-domain particle-in-cell,DGTD-PIC)方法采用非结构网格能准确描述复杂结构,采用高阶基函数进一步提高了计算的精度,同时避免了求解大型逆矩阵,在等离子体和高功率电磁学相关数值模拟方面具有广泛的用途。近年来国内外报道了大量DGTD-PIC方面的研究工作,该方法在核心关键技术方面已取得了许多突破性进展。为促进DGTD-PIC方法的发展及应用,本文对该方法在修正势的DGTD电磁场计算方法、复频移完全匹配层边界、非结构网格中带电粒子定位与电荷和电流分配等关键技术方面所取得的研究成果进行了详细介绍。

一种束半径可调的环形强流电子束产生技术及应用

束半径可调的强流环形电子束在跨波段跳频高功率微波产生器件中有重要应用。提出了一种改变外加引导磁场位形从而改变环形强流电子束半径的技术。该技术的核心部件由环形阴极、阳极、电子束转移通道、电子束传输通道和三段螺线管组成。当三段螺线管的通流的电流大小不一样时,该螺线管系统就能产生不同位形的磁场。在粒子模拟中,当三段螺线管的通流电流大小分别为1025 A、107 A、107 A和300 A、300 A、0 A时,螺线管产生两种不同位形的磁场,实现电子束半径的改变。从单粒子运动理论出发,本文推导出电子束在梯度磁场引导下的运动轨迹表达式,解释了电子束半径在梯度磁场下变化的原理,还研究了梯度磁场的斜率和极差对电子束轨迹的影响。在跨波段器件仿真中,X波段输出功率为1.6 GW,频率为8.2 GHz,效率为40%;Ku波段输出功率为1.5 GW,频率为14.4 GHz,效率为38%。

带有反射腔的相对论返波管的数值模拟

阐述了带有反射腔的相对论返波管的数值模拟研究。利用线性理论 [1]设计了返波管的慢波结构 ,应用 SUPERFISH软件设计了谐振反射器。用 KARAT软件对谐振反射腔返波管进行了宏观粒子模拟 ,得到了优化的返波管结构参数 ,并研究了外加磁场对输出效率的影响。模拟结果表明 :谐振反射腔不仅起到截止颈的作用 ,还有预调制的作用 ;在低外加磁场条件下 ,该返波管也能输出较高功率的微波。

W波段交错双栅返波振荡器高频系统

将矩形交错双栅结构作为慢波电路并提出与之配套的过渡结构和输出耦合器,设计了利用带状电子注工作在W波段的返波振荡器。提出的过渡结构和耦合器解决了该类直波导型器件的信号传输衰减大、反射强等难题。相对于传统圆形电子注器件,该器件得到了较大的功率提升。利用三维粒子模拟计算的方法,在电流12mA时通过调节工作电压,在92～98GHz频带内得到了数W的稳定平均功率输出,信号中心频率非常接近设计频率,且单色性好,谐波分量小。

140GHz菱形微带曲折线慢波结构行波管的模拟计算

提出了一种新型的菱形微带曲折线慢波结构。该结构可适用于低电压、宽带宽、中等功率水平的高效率毫米波行波管。和传统的慢波结构相比,微带曲折线是一种平面结构,因此其加工工艺可采用2维微细加工技术。该结构可以用带状电子束进行注-波互作用,并且不需要额外的电子束通道。给出了菱形微带曲折线慢波结构在140 GHz的色散曲线和注-波互作用模拟分析。研究结果显示：在输入功率为40 mW,带状电子束的电流和工作电压分别为90 mA和7 kV的条件下,该微带曲折线行波管可以获得数十W功率输出,互作用效率可达14.3%,瞬时3 dB带宽为18 GHz（132~150 GHz）。

带有反射腔的相对论返波管初步实验研究

阐述了带有反射腔的相对论返波管的初步实验研究进展。反射腔是一段不规则的圆波导 ,在相对论返波管中起到截止颈的作用。初步实验的结果为 :外加磁场 Bz=0 .7T时 ,输出微波功率为 1 70 MW,微波频率 8.874 GHz,脉宽为 1 0 ns;外加磁场 Bz=1 .7T时 ,微波功率为 370 MW,频率与脉宽不变 ;根据辐射场功率密度分布判定传输模式为 TM0 1 模。结果表明

吉瓦级紧凑型L波段同轴返波振荡器的粒子模拟研究

设计了吉瓦级紧凑型L波段同轴相对论返波振荡器,通过粒子模拟研究了器件内束-波作用的物理过程.模拟结果表明,在电子束能量700 keV,电子束流10 kA,导引磁场为0.9 T时,返波振荡器可以在频率1.60 GHz处获得较大的微波输出,饱和后输出微波的平均功率达2.2 GW,效率约为30%,器件电磁结构尺寸仅为100 mm×520 mm.

变阻抗相对论返波管的研究

根据相对论返波管 (RBWO)的非线性理论 ,数值模拟了耦合阻抗单步跃变型RBWO效率与束流参量、耦合阻抗跃变位置、高低耦合阻抗比值的依赖关系 ,结果表明器件最优化效率可达到 5 0 % .设计制造了一个X波段高功率耦合阻抗单步跃变型RBWO ,运用全电磁粒子模拟程序仿真了器件中注波互作用过程 ,预见出器件功率、效率、频率等性能参量 .在电子注电流、注加速电压、互作用区长度相同的实验条件下 ,测得变阻抗器件实验效率约为均匀阻抗型器件效率的 2倍 .

一种具有新型分立介质支撑的翼片加载螺旋带慢波结构的研究

本文研究了一种具有新型分立介质支撑的翼片加载螺旋带慢波系统 ,该种慢波系统具有较高的功率容量和较宽的带宽 .通过用切比雪夫多项式来展开螺旋带上的面电流 ,用真空层来模拟螺旋带的厚度 ,用均匀分层介质来等效新型分立介质支撑 ,考虑到过渡连接金属块的影响 ,用场论的方法得到了非常实用的色散方程和耦合阻抗的表达式 ,同时进行了HFSS模拟 ,发现用场论的方法所得出的结果与用HFSS模拟的结果吻合良好 .本文的结果对这种新型慢波结构的设计具有指导意义 .

回旋管双阳极磁控注入电子枪的设计

根据回旋管对电子枪的要求，设计了该双阳极磁控注入电子枪。给出了电极形状、电子轨迹与电子注参量。这种电子枪具有速度零散小、层流性较好、体积小等特点。

3cm 相对论返波管的实验研究

简述相对论返波管的基本原理,详细介绍了实验装置与测试方法,报导了初步实验结果,在3cm波段峰值功率约98MW,效率10％左右。

THz返波管圆波导梳状慢波结构的研究

该文利用三维电磁仿真软件模拟计算了THz圆波导梳状慢波结构的负1次返波的色散和耦合阻抗。结果证实:在430-570GHz频带内,慢波结构内半径为0.175mm,约为中心频率波长的0.292倍;在760-940GHz的频带内,慢波结构内半径为0.1mm,是中心频率处波长的0.392倍。该结构较大的径向尺寸有利于提高电子注通过率。这种结构负1次返波的耦合阻抗较小,基本上小于1Ω,很好解释了现有THz返波管的电子效率小于0.01%的事实。

磁场分布曲线对高功率回旋管磁控注入枪影响的分析

数值模拟了不同的磁场分布对回旋管磁控注入电子枪性能的影响。其中,共选择了3种电子枪区域的轴向磁场分布:正弦磁场、二次磁场和双曲正切磁场。由于前两类磁场在阴极区有一个恒定区域,故研究了此区域长度对电子枪性能的影响,找到使电子注具有较好性能的恒定区域的最佳长度;对于第三种磁场则研究了阴极区域磁场倾角对电子枪性能的影响,并找到了可以使电子注的速度比较大,而速度零散较小的稳定的最佳倾角分布区间。

O型同轴慢波器件的纵向模式选择研究

利用S参数理论,研究了O型同轴慢波结构中最低工作模式对应各纵模的频率、场分布和Q值,并分析了慢波结构周期数对纵模的数目及各纵模Q值的影响。在此基础上提出在O型同轴慢波器件中使用同轴引出结构,可减少慢波结构周期数,不但使器件结构更为紧凑,还可避免纵模竞争,从而提高器件效率、稳定产生微波频率。最后利用PIC方法对理论分析进行了模拟验证。

TE_(11)模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器

在阴阳极严格同轴的条件下,理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE11模式与TM01模式与径向入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3维PIC数值模拟结果显示,即使在圆对称结构下,输出波导中非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此,同轴虚阴极振荡器中TE11模式与电子束之间的谐振作用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11模式反射器可以抑制电子束与TM01模式之间的谐振作用,从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用,因此可以提高电子束到微波的功率转换效率。实验结果表明,采用阴阳极非均匀对称结构的TE11模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高效率,在优化参数条件下获得功率转换效率约7%,输出功率大于1.0 GW的实验结果,该功率约为近似严格同轴结构的2.5倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以及参数确定基础。

L波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究

以实现GW级高功率微波源长时间稳定运行为目标,利用应用电子学研究所小型化Marx型脉冲功率源平台开展了L波段六腔衍射输出相对论磁控管长时间稳定运行实验研究。首先介绍了L波段六腔衍射输出相对论磁控管基本结构及长时间稳定运行实验装置基本情况,接着给出了测试系统布局及各参数测试方法,最后给出了实验研究结果:所研制的L波段衍射输出相对论磁控管在输出功率大于1 GW、重复频率10 Hz的条件下实现了超过55 min的长时间稳定运行,输出微波模式稳定,无竞争模式出现,中心频率为1.57 GHz。

Ka波段TM_(02)模式低磁场相对论返波管初步实验研究

对Ka波段TM_(02)模式低磁场相对论返波管的结构特点、工作原理进行了介绍,详细分析了该器件以TM_(02)模工作的模式选择机制。通过粒子模拟,该器件在1T引导磁场下获得了功率为493MW、频率29.3GHz的微波输出,工作模式及频率与理论设计相一致。随后,基于模拟中的结构参数开展了初步的实验研究,当二极管电压为580kV、电流为3.56kA、引导磁场1T时,获得了功率286MW、频率29.3GHz、脉宽约10ns的微波输出。实验获得的微波频率与数值模拟一致,但是微波功率与数值模拟结果有明显差异,并且微波脉冲后沿有明显的缩短,分析认为在低磁场下后端谐振腔链受到电子轰击是导致该问题的主要原因。