C波段高效率同轴渡越时间振荡器的仿真研究

C波段高功率微波产生器件在通信、雷达等领域具有重要的应用前景,工业部门对其紧凑化和轻量化的需求越来越迫切。本文采用理论分析和2.5维粒子模拟方法,设计了一个基于三腔调制双腔提取结构的C波段高效率同轴渡越时间振荡器(coaxial transit-time oscillator,CTTO),有利于实现低频段高功率微波器件的轻小型化。在调制腔前设计合适的反射腔可以有效预防横电磁波模式(transverse electromagnetic mode,TEM)反向传输到阴极区域,同时能预调制电子束,有效提升器件转化效率。经模拟优化后的典型结果表明:当二极管电压458 kV、电流9.6 kA及外加导引磁场1.05 T时,在中心频率6.37 GHz处获得了功率1.83 GW、转化效率41.6%的微波输出。

K波段同轴渡越时间振荡器研究

为增大高频段器件的输出功率,基于电子束调制深度与器件功率容量两个因素,设计了一种K波段高功率同轴渡越时间振荡器。采用高外观品质因数Qe值的三间隙矩形调制腔与低Qe值单间隙梯形调制腔级联的两级调制结构,提高了电子束调制深度;采用双通道分布式能量提取结构,增大了器件功率容量。利用粒子模拟软件对所设计的器件进行了仿真和优化,仿真结果表明:在二极管电压为500 kV,二极管电流为10 kA,外加导引磁场磁感应强度为0.74 T的条件下,获得了2.2 GW的微波输出功率,束波功率转换效率达44%,输出微波频率为18.55 GHz,且频谱纯净。

径向三腔渡越时间振荡器数值模拟

基于渡越辐射机理结合径向结构的低阻抗特性,提出了一种新型的低阻抗高功率微波器件——径向三腔渡越时间振荡器,它由3个等间距的边耦合同轴腔组成,径向运动电子束与谐振腔中的角向均匀模式场相互作用。采用PIC粒子模拟程序进行了模拟研究。在电子束能量450 keV、束流60 kA且无外加引导磁场的条件下,当结构参数网长为4.8 cm,腔间距为1.4 cm,电子发射面为0.8 cm,内径为8 cm时,获得了平均功率7.4 GW,频率4.1 GHz的微波输出,效率达27.4%,阻抗7.5Ω。通过粒子模拟给出了束波互作用效率随电子束电压、电流以及谐振腔间距的变化曲线,电子束电压对输出微波频率的影响曲线以及不同谐振频率与最佳谐振腔间距的对应曲线,这些曲线表明该器件具有渡越时间效应的基本特征,属于渡越辐射器件,且具有对电子束质量要求不高的特点。

径向渡越时间振荡器的数值模拟

用 2 .5维 PIC程序对径向渡越时间振荡器进行了数值模拟 ,给出了产生微波的详细物理图像 ,得出了输出微波功率与提取口大小、腔的径向间距、场模式之间的关系。模拟得到了峰值功率约5 0 0 MW,频率 5 GHz的 TEM1波 ,起振时间 1 5 ns,峰值效率大于 30 %

新型径向边加载渡越时间振荡器

根据渡越时间效应3维理论研究,设计了一种工作于6.1 GHz的新型径向边加载渡越时间振荡器。为增强电子束在谐振腔中的横向摆动,部分加大了高频结构中金属圆筒端部的宽度,以增大横向电场的的分布区域。3维理论分析表明,该器件的效率可以超过50%。粒子模拟研究表明,该器件在170 kV,18 kA的电子束激励下,平均输出功率达到1.6 GW,束波互作用效率为52.3%。

一种新型的高功率高频率同轴渡越时间振荡器

提出了一种高频率和高功率的渡越时间振荡器,并且对其进行了理论和数值研究。这种振荡器采用同轴结构,功率容量大,不需要外加引导磁场聚焦电子束,波束相互作用区短,保持了传统渡越时间振荡器在结构上的简单性和输出信号的稳定性;运用电压为225kV和电流为11kA的电子束进行模拟,在X波段获得了峰值功率为1.4GW,频率为8.335GHz的微波输出。

径向三腔渡越时间振荡器高频特性分析

研究了径向三腔渡越时间振荡器的高频特性,提出了一种近似求解方法,获得了各模式的频率以及场分布特性,并进行了数值模拟验证。近似求解所得的谐振模式的频率与数值模拟的结果基本一致,而模式场的振幅有误差。对近似方法进行了误差分析,结果表明:场振幅的误差随谐振腔径向长度与平均半径之比的减小而减小,该比值小于0.3时,场振幅的相对误差小于5.4%,比值大于1时,该方法不适用。

径向渡越时间振荡器的初步实验研究

对径向渡越时间振荡器进行了实验研究,在非最优化条件下得到了辐射功率大于30MW、主频为3.66GHz的微波,同时研究了微波功率随电压、电流的变化,所得结果和规律与理论分析和数值模拟基本相符。

行波提取型同轴渡越时间振荡器模拟

提出了一种行波提取型同轴渡越时间振荡器,器件的提取腔采用了类膜片加载的扩展互作用腔结构,具有束波作用效率高,电子束空间电势能低等优点。提取腔的电场结构为3π/2模,与传统的类π模结构相比,提高了微波群速度,有利于微波能量的提取。通过引入前置反射腔,提高了调制腔的品质因数,显著降低了起振时间。利用数值模拟软件对所设计的器件进行了模拟和优化,在二极管电压530kV,二极管电流12.8kA,外加导引磁场0.7T的条件下,得到了2.41GW的输出功率,微波频率7.76GHz,束波功率转换效率达到35.5%。

径向渡越时间振荡器互作用特性的流体理论分析

用线性流体理论分析了径向渡越时间振荡器谐振腔中电子束与高频场的相互作用,通过数值求解得到了其中束 场能量交换等随直流渡越角的变化规律。与单电子模型的分析结果相比较,流体模型所得结果更具有普适性。

渡越时间振荡器的注入式锁相研究

针对空间功率合成中多个微波源的锁相问题,设计了一种带有注入结构的Ku波段同轴渡越时间振荡器。在输入腔与三腔结构的调制腔之间,加入了效率99.9%以上的反射腔以防止功率向输入腔和发射端泄露。射频信号沿磁场方向注入同轴波导,既保证了磁场线圈的连续,又抑制了器件中的不对称模式。粒子模拟结果表明,当注入比为0.1、频率差为67MHz时可实现锁相。研究还发现,高功率的注入信号能使器件提前饱和,并且得到更高的输出功率。另外,相比Adler经典锁相理论,仿真结果得到了更大的锁相范围。

带螺线盘线圈的Ku波段径向渡越时间振荡器模拟研究

径向渡越时间振荡器(transit-time oscillator,TTO)相较于轴向渡越时间振荡器,其电子束电流密度更低,空间电荷效应更弱,从而其束波转换效率更高,所需要的引导磁场也更低,因此是目前最有潜力的径向高功率微波(HPM)器件之一。传统径向渡越时间振荡器通常采用金属栅网实现对径向传输电子束的引导,但是金属栅网的熔蚀直接限制了器件的工作寿命和重复频率。在利用径向螺线盘线圈产生的磁场满足径向电子束稳定传输的条件下,开展了带螺线盘线圈的Ku波段径向渡越时间振荡器的整管粒子(PIC)模拟。在电子束电压300 k V、电流20 k A的模拟条件下,器件实现微波功率为2.07 GW、频率14.86 GHz、效率达34.5%的输出。

C波段新型渡越管模拟研究

在三腔渡越管的基础上设计了一种工作在C波段的新型低阻轴向六腔渡越管,其阻抗为15Ω左右,采用同轴输出。该器件采用大面积发射阴极,无须外加磁场,结构简单紧凑。采用2.5维PIC软件对该器件进行了2维数值模拟,在输入电压为483 kV、电流为32.5 kA的条件下,输出微波平均功率达到3.0 GW,主频为3.75 GHz,微波模式为TEM模。微波功率效率大于19%,比普通低阻抗器件有明显提高。

振荡技术与振荡器、谐振回路

Y98-61402-477 9907473微带碰撞雪崩渡越时间振荡器的设计、研制和特性=Design,development and characterisafion of microstripIMPATT oscillator[会,英]/Bhattacharya,J.& Shan-mugam,N.//1997 Proceedings of the International Con-ference on Electromagnetic Interference and Compatibili-tv.—477～482(HG)