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%.

带双腔反射器的X波段低磁场过模相对论返波管振荡器

提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器(RBWO),其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构,较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分,插入同轴避免了高阶模式的竞争,使两段慢波结构分别工作在TM_(02)和同轴TM_(01)模式下。同时,插入同轴还起着模式转换的功能,将TM_(02)转化为TM_(01),最终在输出波导中输出纯TM_(01)模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离,同时为电子束提供足够的预调制,实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计,在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下,获得了3.5 GW的微波输出功率,微波中心频率为9.46 GHz,转换效率约为35%。

8mm回旋行波管和返波管的三折螺旋波纹波导色散分析

三折螺旋波纹波导使TE11模和TE21模相互耦合,其色散曲线能够在宽频带内与电子回旋共振,因此需要对色散方程进行研究。提出了适合工程实用的行波模式和返波模式的色散方程,并对方程中的耦合系数进行了简化,误差在1%左右。利用CST软件的VBA语言对螺旋波纹波导进行建模和计算,根据模拟得到的传输特性曲线的特点,提出一种模拟方法,将模拟与理论计算得到的色散曲线作对比,误差在5%左右。

螺旋波纹波导回旋行波管和返波管的色散特性研究

螺旋波纹波导的特殊结构使TE11和TE21相互耦合,其色散特性相对于圆波导发生了极大的改变,使电磁波能够在宽频带内与电子注耦合,因此需要对其色散特性进行研究。通过理论分析和数值计算,得到了螺旋波纹波导的行波模式、返波模式的色散方程和色散曲线,着重分析了不同螺纹深度和螺纹周期对螺旋波纹波导行波模式色散特性和模式耦合的影响。研究表明,当螺纹深度变大时,螺旋波纹波导中的工作模式与非工作模式分离程度变大,对克服模式竞争比较有利;当螺纹周期变小时,工作模式1的线性变差,线性区域变得很窄,限制了螺旋波纹波导回旋行波管增益的提高。

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。

一种X波段过模高效率相对论返波管

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管(RBWO),主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6,电子束与结构波TM_(01)模的近π模相互作用,在慢波结构区域束波作用产生的TM_(01)模表面波主要转化为TM_(02)模的体波,其输出微波的模式主要为TM_(02)模,占比为81%,其余为TM_(01)模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路,结合模式匹配法,优化得到了一种双谐振腔反射器结构,其对TM_(01)模与TM_(02)模的反射系数均大于0.99,可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离;同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制,将促进慢波结构区域的束波作用,有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔,进一步提升了转换效率。PIC仿真中,在二极管电压900kV,电流14.3kA,得到了6.6GW的输出功率,转换效率约51%。

C波段谐振式相对论返波振荡器设计及其高频特性

设计了一种C波段谐振式相对论返波振荡器,分析了其结构特点和工作的物理机制。利用粒子模拟方法研究了器件的工作特性,发现插入段长度和反射器半径的选取对该类器件的效率非常关键;在二极管电压为0.5~1.0 MV范围内,所设计的器件的效率为20%~25%,频率保持在4.25 GHz附近。结合对器件实际高频结构的电动力学特性分析,重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点,结果表明该器件工作在2π/5模、品质因数约为100时功率效率最高。在此基础上,解释了谐振式相对论返波振荡器具有适用的电子束范围宽、频率稳定等特点的原因,并对该类器件的相关设计原则进行了分析验证。

谐振腔反射器的模式匹配分析

利用模式匹配方法对"冷"谐振腔反射器的反射特性进行了理论分析,推导出了谐振腔反射器的广义散射矩阵。对应用于X波段低磁场返波管的谐振腔反射器的反射特性进行了研究,并利用数值模拟软件分析了在全反射条件下谐振腔反射器中的电场分布。结果表明:当反射器的内外半径的选取合适时,反射器可以在较短的长度时获得较大的反射,而且反射系数对反射器长度的变化不敏感。

梯形波纹同轴慢波结构色散特性及其纵向谐振特性(英文)

利用傅里叶级数展开,给出了一种求解梯形慢波结构表达式的方法。通过数值模拟,研究了级数展开次数对求解精度的影响。当级数为10阶时,线型拟合而成的结构与原结构吻合较好。利用此表达式数值求解了色散方程,得到两个最低阶模quasi-TEM模和A模。分析了为实现电子束与quasi-TEM模的-1次空间谐波相互作用慢波结构参数所需满足的条件,并指出利用此条件下纵向电场具有表面波的特点可实现横向模式选择。采用S参数理论研究有限长慢波结构的纵向谐振特性,提出在同轴慢波器件中加入同轴引出结构可减少所需慢波结构周期数,这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。在此基础上设计了一种L波段同轴相对论返波振荡器,采用KARAT 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内束-波作用的物理过程。模拟结果表明,该器件具有径向尺寸小、束-波作用效率高的特点。在电子束能量700keV、电子束流11.5 kA的条件下,器件在频率1.6 GHz处获得较高的微波输出,饱和后微波的平均功率达2.60 GW,平均效率约为32.3%。

宽间隙反射器相对论返波管同频高阶模式抑制

实现输出模式控制和纯化是过模相对论返波管振荡器物理设计的关键。结合数值仿真和粒子模拟,对一种宽间隙反射器过模相对论返波管内的同频高阶模式激励及其抑制进行了研究,结果表明:模式转换和激励是同频高阶模式的直接来源,合理优化慢波结构、反射器和二极管参数,抑制由工作模式向高阶模式的转化效率,调整由二极管区反射回束波互作用区的模式相位,实现了过模相对论返波管的高效率工作和高模式纯度微波输出;所设计的宽间隙反射器过模相对论返波管输出微波功率中TM01模式的比例高于98%,功率转换效率约40%,工作频率为9.87GHz。

相对论返波管研究进展

高功率微波(high power microwave,HPM)在民用和国防领域具有重要的应用前景。HPM源是HPM系统的核心。相对论返波管(relativistic backward wave oscillator,RBWO)具有相对较高的功率和效率及适合重复频率工作等优点,是最重要的HPM源之一。近10年来,本文作者所在团队在RBWO方面开展了系列研究,取得的进展有:(1)提出切伦科夫辐射和渡越辐射混合产生HPM的原理,发明了速调型RBWO,输出功率达数吉瓦,束波转换效率从30%提高到60%以上;(2)提出电子束与基模和高阶模同时相互作用的双模工作机制,发明了双模工作RBWO,使低磁场RBWO功率提升了约2.5倍,转换效率从低于30%提高到42%;(3)提出通过外加注入信号对电子束进行预调制控制振荡器输出微波相位的方法,发明了牵引锁相RBWO,实现了数吉瓦微波的相位控制和功率合成。

旋转层合圆板的行波动力学特性分析

基于一阶剪切变形理论和哈密顿原理,建立了旋转层合圆板动力学运动方程和相应的边界条件。运用伽辽金法对旋转层合圆板横向振动的行波动力学特性进行了模拟,给出了其前行波、后行波振动频率随层合圆板铺层几何特征、材料参数、旋转速度等的变化规律,并对旋转层合圆板几何和材料参数对其动力失稳临界转速的影响进行了讨论。

旋转薄圆盘的行波动力学特性分析

旋转圆盘是广泛应用于旋转机械装置中的基本结构元件,圆盘在高速旋转状态下会表现出与低速或非旋转状态下迥异的力学性能。本文对高速旋转薄圆盘横向振动的行波动力学特性进行了分析,建立了考虑离心力引起的薄膜内力影响下的动力学控制方程以及相应的边界条件。采用伽辽金法数值模拟了旋转圆盘前、后行波振动频率和动力屈曲失稳临界转速随着圆盘几何参数如半径比、厚度的变化规律,以及材料参数对于振动频率和临界转速的影响等。本文的数值计算可以同时给出圆盘旋转的前、后行波频率,并且结果与实验结果吻合良好。

基于损耗介质加载波导回旋行波放大器的多模稳态分析

目前回旋放大器的稳定性分析主要采用单模理论,而该理论不能分析模式间的相互影响。多模稳态理论可以分析不同模式间的相互影响,现有的多模理论仅可以分析光滑波导或内壁加载石墨涂层的波导结构,该结构并不适合高平均功率工作。本文首次将回旋行波放大器的多模稳态理论应用于适合于高平均功率的损耗介质加载波导模型,并分析了回旋返波振荡的存在对工作模式的影响。以TE_(01)模基波工作的Ka波段回旋行波管为例,研究介质损耗正切和输入功率的变化对回旋返波振荡的抑制作用。相较于使用PIC仿真方法,利用多模理论,可以快速地分析工作模式得到稳定放大的过程。

低频段紧凑型同轴相对论返波振荡器

基于P波段新型三周期慢波结构同轴相对论返波振荡器设计思想,设计了一个L波段同轴相对论返波振荡器。粒子模拟表明,在二极管电压591kV、电流8.2kA、导引磁场0.8T时,获得了1.50GW的微波输出,频率为1.64GHz,效率达31%,器件慢波结构尺寸仅为96mm×207mm。分析了该器件实际高频结构的电动力学特性,重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点,并结合P波段的研究结果,得到了该类器件的相关设计指标:慢波结构长度约为一个波长,波纹周期约5/13波长,外波纹深度约1/10波长,内波纹深度约1/30波长,电子束半径约0.7倍外波纹平均半径,器件的纵向工作模式为0.8π模,对应的Q值约16。

回旋行波管多模稳态理论及初步应用

建立了一种回旋行波管的多模稳态理论.利用该理论研究了输入功率和引导中心半径变化对回旋返波振荡的抑制作用,发现两者单独作用都在一定程度上可以减弱返波振荡,但两者的共同作用对改善工作模式输出性能和稳定性更有效.