S波段径向注同轴槽振荡器

高功率微波器件在雷达、电子对抗等方面具有重要的应用潜力,因此得到广泛的关注。然而,庞大的体积和重量,以及较低的效率和较短的寿命,严重限制了高功率微波的应用范围。提出了一种径向电子注驱动的同轴槽振荡器,该振荡器无需聚焦系统,从而能够大幅度减少体积和耗能。采用由外向内的径向电子注,阴极电流密度低,可以采用热阴极替代爆炸发射阴极,从而提高器件寿命。PIC仿真中,采用460 kV,6 kA径向电子注能够在3.8 GHz产生1.2 GW的输出,对应效率43.5%。

太赫兹带状注器件

带状注是指束流截面近似为矩形或椭圆形的电子注,且具有大的宽高比。相对于传统的圆形注,带状注具有很多优点,例如大电流和大互作用面积等。由于太赫兹波具有高频率、宽频带、高传输速率等优点,因此太赫兹科学与技术近年来发展迅速。作为一种新型的真空电子器件,太赫兹带状注器件在高功率、高增益、高效率及小型化方面具有良好的技术优势。但是,带状注在传输过程中易出现Diocotron不稳定性,难以保持长距离稳定的聚焦传输,从而导致带状注的技术优势难以发挥。本文综述了带状注的产生成形方式和聚焦传输方法,以及太赫兹带状注器件的研究进展,同时讨论了它所面临的挑战和未来的发展方向。

周期凸起磁场聚焦带状电子注的3维粒子模拟

从麦克斯韦方程出发,分析了带状电子注在螺线管磁场中传输时Diocotron模形成的原因;对周期凸起磁场(PCM)聚焦下的电子受力进行分析,分析表明PCM磁场能够抑制Diocotron模。结合理论分析,利用3维粒子模拟程序,对Diocotron模的形成进行了研究,并利用了PCM磁场聚焦带状电子注,抑制Dioco-tron模。通过粒子模拟研究了磁场大小对PCM磁场抑制Diocotron模的影响,结果表明:磁场减少导致空间电荷力和磁力需要平衡,其侧面包络变厚。

周期椭圆螺线管聚焦带状电子注的理论研究和粒子模拟(英文)

带状电子注真空器件是一种很有潜力的高功率微波毫米波器件,其中带状电子注的稳定传输和聚焦是该器件的关键。针对带状电子注的聚焦和传输,提出采用周期椭圆螺线管结构来稳定传输高椭圆率的带状电子注。通过理论分析,得到椭圆螺线管的磁场分布情况,研究了该磁场下带状电子注的运动情况,并且推导出带状电子注在周期椭圆螺线管结构中稳定传输的条件。最后,采用粒子模拟验证了该稳定传输条件。

W波段带状注矩形单栅返波振荡器模拟研究

提出并研究了一种带状电子注矩形单栅返波振荡器。首先研究了矩形单栅慢波结构的色散特性和耦合阻抗特性,然后粒子模拟并优化设计了带状注矩形单栅高频结构,预群聚腔及输出一体化结构。研究结果表明:利用电压200kV、电压2kA、截面为24mm×0.5mm的带状电子注,驱动该矩形单栅返波振荡器,能够产生42 MW的输出功率,工作频率86GHz,效率为10.5%。

一种形成高椭圆率带状电子注的新方法

带状电子注器件(或平面结构器件)是一种新型的高功率毫米波、亚毫米波源。其中,如何产生带状电子注对于该种器件来说至关重要。本文基于对射线方程的研究,猜想椭圆螺线管能够实现常规圆柱电子注到带状电子注的转换。采用3D粒子模拟,验证了我们的猜想。并调节电子注参数和螺线管参数得到了所需的带状电子注。本文的研究为下一步带状电子注器件的研究打下了坚实的基础。

平面化慢波结构行波管的研究

固态器件具有电压低、体积小、成本低的优势,但是其输出功率低、带宽窄。电真空器件具有输出功率高、效率高、带宽宽、寿命长的优势,但是体积大、成本高。具有这两者优点结合的新型放大器是研究人员追求的目标,基于平面慢波结构的带状注行波管就是在这个目标牵引下发展起来的一个新方向。本文综述了2010年到2017年IVEC报道的平面行波管,展现了这类新器件的发展路径,以期为该类行波管的未来发展指明方向。

650GHz正弦波导返波管的模拟计算

提出了一种利用正弦波导慢波结构设计的太赫兹频段大功率返波管的新方案。3维粒子模拟研究结果显示：在20 kV的工作电压和5 mA的驱动电流下,该返波管在645.9 GHz频率处将具有1.55 W的峰值功率输出,互作用效率为1.55%,频谱纯净,输出模式为TE10模。通过在15~25 kV之间进行电压调谐,可获得80 GHz的调谐带宽,且峰值输出功率都在1 W以上。

毫米波/太赫兹真空器件中的带状电子注和新型慢波结构

采用带状电子束是在毫米波和太赫兹波段产生大功率输出的一种重要方法,为了提高工作频率、提高输出功率、拓展工作频带,对带状电子束的形成、传输和收集以及新型慢波结构进行研究,是真空电子学的热点研究方向之一。本文概述了目前国内外带状电子束真空电子器件的研究动态和发展趋势,并提出了今后发展的若干建议。

340 GHz倒圆角交错双栅行波管的仿真与冷测（英文）

近些年来交错双栅行波管由于其高功率容量和易加工等优点受到了很多的关注.然而随着器件工作频率的升高尤其对于太赫兹频段结构的损耗严重限制了行波管的性能.本文考虑了损耗和加工所导致的圆角等因素针对交错双栅结构提出了一个更切实际的设计.仿真结果表明该行波管在 320 ~342 GHz 频率范围内能获得大于 5 W 的输出功率.采用了相速跳变方法来提高输出功率在整个工作频带内输出功率都得到了大于28%的提升.在此基础上加工了340GHz交错双栅慢波结构并开展了冷测实验在330~360GHz范围内盒型窗的S21测试结果大于-2.1dB且电压驻波比在334~355GHz范围内小于1.35.同时对包含盒型窗部件的高频系统进行了冷测其电压驻波比测试结果在 335 ~344 GHz 范围内均小于 2 且该冷测结果与仿真结果之间趋势基本一致.

W波段带状注耦合腔慢波结构行波管的设计与冷测

对W波段三槽梯形线耦合腔慢波结构(包括大功率输入输出耦合器和射频窗)的加工和冷测进行了研究。此慢波结构由一个矩形波导耦合器馈电,该耦合器由放置在输入腔短边上的三阶阶梯变换矩形波导组成。首先,利用仿真方法研究了慢波结构的色散、互作用阻抗、传输特性和注-波互作用。结果表明,采用三槽梯形线耦合腔慢波结构的行波管能够在91~96 GHz的频率范围内提供大于1000 W的饱和输出功率,并且在94 GHz频点,饱和输出功率最大,可以达到1125 W。其次,采用高精度数控铣床加工出三槽梯形线慢波结构,并将其固定在非磁性不锈钢外壳中。文中给出了带有耦合器和射频窗的三槽梯形线慢波系统的测试结果,表明在90 GHz到100 GHz的频率范围内,S11<-10 dB。因此,三槽梯形线慢波结构在W波段大功率行波管方面具有应用前景。

W波段阶梯型交错双栅慢波结构行波管的研究

为了提高传统交错双栅慢波结构行波管的性能,提出了一种阶梯型交错双栅慢波结构,并基于此新型慢波结构,提出了新型输入输出耦合结构.在此基础上,设计了一只工作在W波段的带状电子注阶梯型交错双栅慢波结构行波管.计算结果显示,阶梯型交错双栅慢波结构行波管的耦合阻抗更高,从而使行波管在更短的互作用电路长度里,实现更高的饱和增益和互作用效率.在90～100GHz频率范围内,阶梯型交错双栅慢波结构的耦合阻抗大于4Ω,高于传统交错双栅慢波结构;W波段带状电子注行波管高频结构的反射系数(S11)小于-15dB;并且行波管的饱和输入功率仅约为0.7W,可以实现最高输出功率约800W,相应的效率大于7.8%,增益大于30.6dB.

超宽带螺旋线行波管的设计

本文主要介绍了18-40GHz超宽带螺旋线行波管的设计。在设计的过程中,为了提高行波管的输出功率以及电子效率,我们采用了螺距跳变的技术对其进行优化设计。利用三维电磁仿真软件HFSS对螺旋线慢波结构的高频特性进行仿真计算,并用大信号互作用模拟仿真软件对行波管的注-波互作用过程进行模拟,计算结果表明:在18-40GHz的工作频率范围内,行波管的饱和输出功率超过了90W,饱和增益大于35d B,电子效率大于8%,二次谐波比值小于-6d B。

毫米波带状注电子枪的设计方法

利用理论分析和仿真模拟相结合的方法对带状电子注的产生进行了系统的研究,并提出了一种带状注电子枪的设计方法.首先通过理论分析,提出了一种计算带状注电子枪结构参数的迭代算法,即根据注电压、注电流、电子注注腰处半厚度、阴极半厚度和阴极宽度,计算出带状注电子枪的阴极柱面半径、阴阳极间距、阳极柱面半径和射程等主要参数;在此基础上,通过仿真模拟,为毫米波真空电子器件设计了一种带状注电子枪.

同轴相对论速调管周期永磁聚焦系统的初步研究

为了探索相对论速调管放大器(RKA)的小型化技术,开展了同轴RKA周期永磁聚焦的物理与设计技术研究。周期永磁聚焦系统采用Halbach阵列结构,产生的磁场类型为周期性会切磁场。首先给出该系统的磁场各个分量的表达式,分析该系统磁场分布的特点,并推导得出该系统聚焦强流环形电子束的稳定条件。根据该稳定条件,对Ka波段同轴RKA设计了一个周期永磁聚焦系统,并优化了周期磁场参数,确定了磁场系统设计的最佳周期和幅值。研究结果显示,周期永磁(PPM)聚焦系统在周期长度18 mm和磁场幅值0.33T的条件下可引导500kV、6kA的同轴RKA,得到1GW的微波输出功率,物理分析确定了周期永磁聚焦系统应用于高功率同轴RKA的技术可能性。

双注多翼片加载的角向夹持角度对数曲折线慢波结构（英文）

针对角向夹持的角度对数周期曲折线慢波结构,提出了展宽其工作带宽、降低其工作电压的新方法.通过翼片加载技术,可以对慢波结构的色散特性进行修正,从而使得其带宽得到有效展宽.通过数值模拟仿真,得到无翼片加载的慢波结构以及多翼片加载的慢波结构的3 dB带宽分别为2.5 GHz、3 GHz,工作电压分别为5 450 V、4 650 V.研究表明,翼片加载结构可以有效降低角度对数周期曲折线慢波结构的工作电压,以及展宽其工作带宽.

Wiggler磁场聚焦带状电子注

带状电子注在螺线管磁场作用下传输时,易形成Diocotron不稳定性,导致电子注崩溃。采用Wiggler磁场聚焦带状电子注能防止Diocotron不稳定性。研究了Wiggler磁场聚焦带状注的作用机理,得出带状电子注在Wiggler场作用下的包络方程。结合理论分析,使用3维粒子模拟程序对带状电子注的Dioco-tron不稳定性和Wiggler磁场抑制不稳定性分别进行了模拟。研究表明:合适的选择磁场大小和周期能有效抑制Diocotron不稳定性,使得设计带状电子注行波管成为可能。

X波段高功率宽带选模定向耦合器

过模圆波导在提高功率容量的同时,不可避免地会造成微波源中同时存在多种模式。为了监测X波段长脉冲高功率微波源TM01模的输出功率和频谱,采用CST软件仿真设计了X波段高功率宽带选模定向耦合器,在耦合TM01模的同时可实现对TM02和TE11模的抑制。波导腔体及耦合孔的尺寸以小孔耦合理论和相位叠加原理为基础并结合切比雪夫分布函数计算确定。仿真结果表明:该高功率宽带选模定向耦合器在9.0~9.8GHz的带宽范围内,耦合度为(-59.08±1)dB,定向性大于30dB,对TE11模的抑制度大于15dB,对TM02模的抑制度大于30dB,功率容量大于2.5GW。

W波段带状注电子枪的仿真研究

随着电真空器件向更高频段的发展,传统电真空器件的发展受到了限制,而带状电子注器件相对于传统的电真空器件有很多优点,有很好的发展前景,对该种器件来说重要的一点就是如何产生带状电子注。本文对传统的轴对称收敛型皮尔斯电子枪进行变形,设计了一种用于W波段的带状注电子枪,进行了理论分析,推导出计算公式,然后用3D电磁仿真软件CST进行了仿真计算,并对电子枪结构进行调整优化,得到了符合预期要求的高质量电子注。

开口磁环的周期聚焦系统仿真分析与实验

当前行波管周期永磁聚焦系统的波端口位置处的磁环通常采用单向开口磁环。在波端口位置引入波导阻抗调谐支节的基础上,提出了两种不同的双向开口磁环结构。利用三维电磁仿真软件Opera-3D,分析了双开口磁环的中心轴线附近的磁场,并据此进一步介绍了带双开口磁环周期永磁聚焦系统的设计方法。为了验证带双开口磁环的周期永磁聚焦系统应用的可行性,设计和测试了一套E波段折叠波导行波管电子光学系统。在行波管试验中,电子枪发射电流83 mA,带双开口磁环的周期永磁聚焦系统聚焦的电子束流通率达到99%。