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%。

高功率跨波段相对论速调管放大器模拟设计

设计了一种能在S波段和C波段实现稳定输出的高功率相对论速调管放大器,并使用电磁粒子PIC程序进行了模拟研究。模拟结果表明:采用700kV,4kA的电子束,在注入微波功率340kW、注入微波频率分别为2.8GHz和3.2GHz的条件下,通过合理选择输入腔和中间腔的结构和工作模式、调节器件输出腔的腔长,模拟实现了S波段(3.2GHz)和C波段(5.6GHz)分别为1GW和490 MW的微波输出,束波转换效率分别约为35%和17%。

用于X波段模块化相对论速调管放大器在线测量的紧凑型定向耦合器设计

为实现模块化相对论速调管放大器功率、频率和相位的在线测量,对紧凑型高定向性高带宽的定向耦合器进行了仿真和实验研究。利用小孔耦合理论和相位叠加原理进行理论分析,设计了一种双孔紧凑型定向耦合器,在此基础上采用主、副波导正交连接,耦合孔沿轴向和角向二维分布的方法,进一步缩短了耦合器的长度。通过电磁仿真对耦合器各参数进行优化,模拟结果表明:当中心频率为10 GHz时,普通双孔定向耦合器对TM01模式的耦合度为−60.68 dB,在250 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度为3.49 cm。改进型定向耦合器对TM01模式的耦合度为−58.1 dB,在300 MHz的带宽内定向性大于20 dB,此时耦合区长度仅为1.8 cm(约0.6λ)。耦合器的冷腔实验测量结果与仿真结果符合较好。

脑电图相对波段功率对急性脑梗死的诊断价值

目的：探讨脑电图（EEG）相对波段功率（RBP）在急性脑梗死的早期诊断价值。方法：对急性颈内动脉系统脑梗死患者38例，其中局灶性脑梗死组20例，大面积脑梗死组18例，其他疾病对照组30例进行床旁EEG监测。观察梗死部位脑区与对侧脑区、梗死侧枕部与健侧枕部的RBP变化，比较颈内动脉系统脑梗死局灶性脑梗死、大面积脑梗死各组与对照组的RBP差异。结果：梗死部位脑区与对侧脑区比较：梗死组RBP在双侧脑区呈现不对称性，病灶部位脑区8波RBP较对侧显著增大，a、B波的RBP显著减低；局灶组病灶部分脑区0波RBP较对侧显著增大，大面积梗死组0波RBP双侧对比差异无统计学意义。与其他疾病组比较：梗死组梗死脑区均表现为6、0波RBP增大，a、G波RBP减低。扰部RBP变化：两组不同面积脑梗者，梗死侧枕部较健侧枕部8、0波RBP增大，a、B波RBP降低；健侧枕部RBP与其他疾病，大面积组表现为6、0波RBP增大，n、口波RBP降低，局灶组中．除0波RBP轻微增高外，6、a、口波RBP比较差异均无统计学意义。结论：脑电图RBP对于急性颈内动脉系统脑梗死具有早期定侧价值，结合枕部RBP变化，可早期鉴别大面积脑梗死。

X波段多频相对论返波振荡器的粒子模拟

采用过模同轴波纹型返波管,其互作用区由2段周期不同的波纹慢波结构组成,利用粒子模拟软件MAGIC进行数值模拟,得到了X波段稳定的3个频率微波输出。粒子模拟的结果为:在强流电子束电压为570 kV,电流为11.4 kA,引导磁场为0.72 T的条件下,获得的3个频率分别为9.575,10.025和10.475GHz,总微波功率为1.0 GW,效率为15.4%。通过对电压的调节,进一步获得了4个频率的微波输出。

S波段相对论速调管振荡器的实验研究

在20 GW加速器平台上开展了S波段相对论速调管振荡器(RKO)的单次和重复频率束流调制和微波辐射的实验研究。采用无箔空心阴极和0.9 T的恒流源磁场引出束压1 MV、束流13 kA、脉宽40 ns的环形电子束驱动RKO,该电子束经过3个紧密耦合的扩展互作用腔再经过一段漂移管的群聚后,产生了7.8kA/20 ns的基波调制束流,该调制束流激励三轴输出腔,单次运行输出了3.5 GW的微波辐射,束波转换效率29%,脉宽20 ns;脉冲重复频率20 Hz运行时,输出微波功率3.4 GW,束波转换效率26%。该振荡器具有起振时间快、输出频谱较纯和结构紧凑等优点。

L波段相对论返波振荡器初步实验研究

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器(RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为1.0 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率1.05 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。

双波段相对论返波振荡器模拟研究

提出了一种采用单电子束实现C波段和X波段微波同时输出的新型相对论返波振荡器,该器件的束波作用区为中间用渐变段隔开的两段盘荷结构。使用Karat软件进行了2.5维全电磁粒子数值模拟,在工作电压为1 MV,电流为8 kA,导引磁场为3 T的条件下,输出微波功率大于1 GW,功率效率约为15%,输出的微波频率分别为5.42 GHz和9.58 GHz,二者频谱幅度相差2.17 dB,模式为TEM模。

Ka波段高功率微波TM_(0n)-TEM混合模式转换器设计

由于过模Ka波段高功率微波返波管通常输出TM_(0n)混合模式,在保证较高能量转换效率的条件下,难以同时兼顾其输出模式的纯度,而辐射终端为达到理想发射效果则要求单一模式馈入,这就给输出混合模式微波源的实际应用带来困难。针对这一技术难点,提出了一种结构紧凑的TM_(0n)-TEM(n≤5)混合模式转换器的设计方法,利用内外两路同轴阶梯波导并配合适当的插板调相结构可以实现在高功率容量条件下,较宽频带范围内,高效地将TM_(0n)混合模式转换为单一的TEM模,降低了此类高频段HPM源模式纯化设计的难度。

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。

双波段高功率微波源的实验研究

简述了双波段高功率微波源的基本工作原理，详细介绍了整个实验系统并给出实验结果。实验中成功地引出了两束同步的相对论电子注，并且在３ｃｍ相对论返波管及８ｍｍ相对论奥罗管中均得到ＭＷ级的峰值功率。

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。

C波段相对论行波结构放大器设计

根据盘荷加载慢波结构的色散关系,设计了C波段高功率行波结构放大器,器件采用轴向微波功率提取降低输出端的反射,并在隔离段中加入微波吸收体切断放大器中自激振荡的正反馈过程,输出腔采用锥形过渡以降低Q值,减少电子注回流,有效抑制了放大器中自激振荡。在2.5维PIC模拟中得到功率890MW、频率5.64 GHz的微波输出,增益35.6 dB,效率32%。

内导体对相对论返波振荡器工作波段选择的影响

设计了一种紧凑型、GW级同轴引出电子束相对论返波振荡器,利用KARAT2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:当器件中使用内导体,在电子束能量700keV,电子束流11kA,导引磁场为1.0T时,能实现L波段2.66GW高功率微波输出,平均效率约为34%;去掉内导体时,能实现S波段1.88GW单频微波输出,平均效率约为24%。同一个器件,仅通过装卸内导体就可以选择在两个波段实现GW级、高效微波输出,这对于高功率微波器件的设计有一定的参考意义。

X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟,结果表明:在超辐射机理作用下,该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置,建立了一套小型窄脉冲电子加速器,以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下,实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW,脉宽1.10 ns,上升沿800 ps,频率9.15 GHz,功率转换效率为21%。

S波段相对论速调管放大器相位稳定性的优化设计及实验研究

为了有效提高器件输出微波相位的稳定性,对S波段强流相对论速调管放大器输出微波相位特性开展了理论研究和优化设计。理论分析结果表明,束流发射和传输均匀性、腔内杂频和强流脉冲电压波动是影响器件输出微波相位稳定性的重要原因,通过优化二极管结构,增加吸波材料以及优化腔体结构和参数等手段可以有效地减小上述因素对输出微波相位稳定性的影响,提高器件工作的稳定性。对优化后的器件开展了实验研究,得到单台单次输出功率GW量级基础上,100 ns内相位标准差约10°,单台重频5 Hz工作输出微波相位标准差约20°,两台同时工作输出微波相位差抖动约20°的结果,满足了实际应用的需求。

紧凑型P波段相对论返波振荡器的粒子模拟

设计了一种紧凑型P波段相对论返波振荡器,其电动力学结构是由同轴慢波结构和同轴引出结构组成的。同轴慢波结构缩小了器件的径向尺寸;同轴引出结构缩短了器件的轴向长度,且提高了束波作用效率。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:器件具有结构紧凑、束波作用效率高的特点。在二极管电压700 kV,电流7 kA,导引磁场1.5 T时,器件在频率833 MHz处获得较高的微波输出,饱和后输出微波的平均功率达1.58 GW,效率约为32%,器件电磁结构尺寸仅为φ108 mm×856 mm。

一种Ku波段高效率低磁场同轴相对论返波管

设计了一种工作在Ku波段的低磁场同轴相对论返波管。器件工作在同轴TM01近π模式,采用两段式慢波结构构型,在前后段慢波结构中分别主要进行电子束调制与能量提取,以实现高效率工作。通过设计非对称反射腔,引入电子束预调制,进一步加深电子束调制深度,提高了束波互作用效率。通过调节慢波结构中间漂移段长度,进一步优化器件内部场分布,提取段慢波结构处轴向电场强度得到显著增强,器件工作效率可提升至35%。最终,当磁场强度0.6、二极管电压490V、二极管电流7.5A时,获得1.27GW微波输出,效率约35%,微波频率为14.7GHz。

X波段衍射输出相对论磁控管的粒子模拟研究

本文报道了一个X波段18腔衍射输出相对论磁控管的初步模拟研究结果。利用高频场分析软件和粒子模拟软件,通过分析和优化器件的结构参数,合理选取电磁场取值大小,最终得到:在二极管电压350 k V,外加磁场0.41T条件下,可以得到输出功率1.09 GW、功率转换效率为22%、频率9.59GHz的微波。

L波段相对论磁控管的初步试验

相对论磁控管具有高功率、高效率、运行稳定、低磁场、结构紧凑、适于永磁包装等优点,是高功率微波源研究的热点之一。在前期研究中,国防科技大学提出了一个具有全腔提取结构的L波段高效率相对论磁控管,本文介绍了其初步的实验进展。实验结果显示,在二极管电压为491 kV、电流为5.5 kA及磁场为0.25 T的条件下,其输出微波功率为0.82 GW,微波频率为1.49 GHz,功率转换效率为30.4%。实验结果为进一步优化仿真、提高技术性能及推进应用打下了良好的基础。