140 GHz螺旋波纹波导小回旋行波放大器的研究

针对140 GHz回旋行波管,采用三折螺旋波纹波导作为慢波结构,通过色散特性分析优化螺旋波纹波导结构参数,达成了抑制模式竞争和扩展带宽的目的;依据布拉格衍射机理设计了输入耦合器,能够确保电子束有效流通以及信号稳定输入,且在136.5~144 GHz范围内,S_(21)>-0.5 dB。以小回旋电子注为激励源对该螺旋波纹波导回旋行波放大器进行了PIC仿真,当输入信号的频率为140 GHz、功率为50 W时,输出信号功率为223 kW,增益为36.49 dB;在134~142 GHz的频率范围时,输出功率在113~223 kW之间,3 dB带宽大于8 GHz。本文将螺旋波纹波导结构应用于140 GHz并取得了高增益和大带宽,对后续在更高频率的研究和工程应用具有较高的参考价值。

螺旋波纹波导的传输特性

根据螺旋波纹波导的传输耦合方程,取输入模式为TE11,由螺旋波纹波导模式耦合规则得到输出模式为TE21,由此给出耦合方程的具体形式。用“迭代法”简化耦合方程,并进行数值分析,得到了波导波纹周期对传输特性的影响;利用简化后耦合方程解的解析式计算了螺旋波纹波导工作模式中各场幅值的比例关系。计算结果表明:在工作频段内螺旋波纹波导中场结构是一种混合模,以TE21模为主,其群速基本接近常数,可以和电子注在很宽的频带内产生互作用,为注波互作用的计算提供了依据。

螺旋波纹波导模式分析

通过螺旋波纹波导的耦合波方程,考虑到波的左右旋转方向及波的前向和反向等因素,给出了波导中可能存在的所有模式,由耦合方程的特点和布拉格条件分析了各模式之间的关系,给出对应于螺旋波纹波导回旋行波管和螺旋波纹波导回旋返波管的模式耦合特点,并给出耦合关系和波导的模式耦合规则。结合螺旋波纹波导的色散方程,讨论了不同波纹周期和波纹起伏程度对模式耦合的影响:波纹周期的增大,使得电子注的加速电压变大;如果波纹周期太小,则工作模式线性变得很差。阐述了螺旋波纹波导回旋行波管克服模式竞争的机理。纹起伏程度较大,工作模式和非工作模式分离程度变大,对克服模式竞争比较有利。

螺旋波纹波导中的返波

从螺旋波纹波导的一般性耦合波传输方程出发,根据螺旋波纹波导的模式耦合规则给出该波导内返波的耦合波方程和色散方程并分析其色散特性,由此分析螺旋波纹波导返波管的工作机理,并通过耦合波理论计算出本征模式中场的分布情况.

螺旋波纹波导被动式脉冲压缩模拟研究

研究了一种基于螺旋波纹波导特殊色散特性对输入微波脉冲进行压缩的新方法。利用3维全电磁粒子模拟软件对X波段螺旋波纹波导进行了建模,模拟分析了该波导的特殊色散特性及提高功率增益的方法,并将已有模型脉冲压缩增益提高了6.65。模拟结果表明:通过优化输入微波的频率调制特性,可以获得更加符合被动式脉冲压缩所需要的调频形式;采用改进后的椭圆波导,可以得到更有利于被动式脉冲压缩的本征模式;通过延长渐变段长度,可以减少规则段和渐变段之间不均匀性造成的微波反射,从而实现更高的脉冲压缩增益。

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的模式耦合机制

从波导的等效边界条件出发,结合波导的激发方程组,通过数学推导说明了螺旋波纹波导回旋行波管的模式耦合机制。TE1,1模会在螺旋波纹波导中耦合出TE_2,1模,并且通过计算说明TE_2,1模主要和TE1,1模的空间-1次谐波发生耦合。

Ka波段螺旋波纹波导回旋行波管

螺旋波纹波导回旋行波管与采用圆波导的回旋行波管相比,有较大的带宽。介绍了它的线性注波互作用理论,并用该理论计算了不同的磁场与波导表面微扰幅度对Ka波段螺旋波纹波导回旋行波管线性增益的影响。计算结果与已报道的实验结果基本符合,说明该理论可以初步确定螺旋波纹波导回旋行波管的各项参数。

基于螺旋波纹波导高增益高效率被动式压缩方法

对一种改进型螺旋波纹波导实现高增益高效率被动式脉冲压缩进行了研究,并利用微扰理论求解出了该波导的损耗特性。结合波导的色散和损耗特性,设计了输入微波的频率调制形式。还对改进型螺旋波纹波导进行了模拟研究,在输入脉冲宽度为66ns的条件下,得到了半高宽为1.9ns的压缩脉冲,增益为21.2倍,脉冲宽度比为34.7倍,压缩效率为61%,这表明改进型螺旋波纹波导应用于被动式脉冲压缩具有高效率高增益特性。

螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用非线性理论

螺旋波纹波导回旋行波管与采用光滑圆波导的回旋管相比,有较大的带宽。介绍了该类回旋行波管的非线性注波互作用理论。计算结果表明该理论计算结果与实际实验报道的结果基本符合,相应的电子效率达到29%,饱和增益达到37dB,工作磁场0.21T,电压185kV,电流19A。

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。

W波段回旋行波管螺旋波纹波导色散分析

对螺旋波纹波导回旋行波管的色散特性进行了研究,通过理论分析推导了螺旋波纹波导的色散方程。进一步对色散曲线进行了数值计算,并着重分析了几何结构参数变化对其色散特性的影响,由此得到了合理的结构参数。同时利用三维电磁仿真软件CST模拟计算了在该参数下螺旋波纹波导的本征模式并与理论结果作对比,误差小于3%。

基于行波法对螺旋波纹波导色散特性的仿真

为研究螺旋波纹波导的色散曲线特性,利用阻抗微扰法对螺旋波纹波导色散方程进行求解,并分析了波导尺寸的变化对色散特性的影响。针对目前采用谐振法仿真色散曲线时存在模式分割以及谐振点的选取问题,利用行波法(不属于波纹波导理论体系下的新方法)对不同频率下的色散值进行仿真求解。研究结果表明,基于行波法仿真得到的色散曲线与由Matlab计算得到的理论色散曲线吻合度好,计算过程不涉及波纹波导理论体系下谐振点的选取问题,相比传统的谐振法,整个仿真计算过程更简洁。

螺旋波纹波导在高功率微波领域中的应用研究

螺旋波纹波导是一种具有特殊结构的高功率微波源波导结构,螺旋波纹波导的特殊结构使得TE11和TE21两模式在角向耦合,耦合出的新工作模式具有良好的色散特性和模式选择特性,因此该波导具有广泛的应用价值。简要地介绍了螺旋波纹波导的结构原理,概述了该波导在高功率微波领域的工作原理。通过分析和模拟计算表明,螺旋波纹波导在高功率微波源中极具发展潜力,值得进一步研究。

Ku波段螺旋波纹波导回旋行波管色散特性研究

为抑制回旋行波管的自激振荡和增加回旋行波管带宽,俄罗斯G.Denisov等人提出一种新型回旋行波管结构——螺旋波纹波导回旋行波管。通过螺旋波纹波导的特殊结构使通过波导的两种模式发生耦合,耦合出一种新的工作模式,从而改变色散特性,达到抑制自激振荡和增加带宽的目的。通过螺旋波纹波导的色散方程,分析其色散曲线,从而分析螺旋波纹波导作为回旋行波管高频系统的优势。

螺旋波纹波导回旋行波管非线性理论研究

非线性理论是一种以驻波互作用过程为对象的大信号理论,它能准确地反应电子与波的互作用过程,计算输出功率、效率等其他非线性理论问题。采用非线性理论中的自洽非线性理论和耦合波理论对螺旋波纹波导回旋行波管进行研究,结和电子运动方程和互作用方程,反映电子运动和场的激励相互演变过程。

Ka波段螺旋波纹波导回旋行波管线性理论研究

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地改变,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。通过研究Ka波段螺旋波纹波导回旋行波管的冷腔色散特性,可知螺旋波纹波导非常适用于回旋行波管的高频结构。由电子运动方程出发,推导出了简化的螺旋波纹波导回旋行波管的注波互作用方程。

螺旋波纹波导回旋行波管色散特性仿真分析

对螺旋波纹波导回旋行波管的冷腔色散特性进行了研究,通过理论分析和数值计算,得到了螺旋波纹波导的冷腔色散方程和色散曲线,并分析了几何结构参数变化对其色散特性的影响。同时利用三维电磁仿真软件HFSS对螺旋波纹波导进行建模和计算。

螺旋波纹波导研究

从耦合波方程出发,利用阻抗微扰法对螺旋波纹波导的边界不规则性进行处理,得到螺旋波纹波导的一般性耦合波传输方程,及耦合系数表达式.根据螺旋波纹波导内模式耦合的规则,得出色散方程并分析其色散特性.

螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器的非线性模拟

给出了螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器非线性模拟中,处理偏模的初值问题和计算精度瞬时监测问题两项关键技术。采用这些技术编制的程序所得到的数值计算结果与Denisov等人实验观测值符合得很好。在此基础上,对电子束速度离散、螺旋开槽周期和开槽深度对效率的影响,进行了非线性模拟研究。结果表明:螺旋波纹壁圆柱波导回旋行波放大器效率对电子束速度离散不敏感,而对螺旋波纹开槽周期和开槽深度的依赖性较强;通过参数优化可望把目前实验的效率水平提高到25.6%。