Calculation of Start-Oscillation-Current for Lossy Gyrotron Traveling-Wave Tube (Gyro-TWT) Using Linear Traveling-Wave Tube (TWT) Parameter Conversions

The start-oscillation-current of a gyro-TWT (gyrotron traveling-wave tube) determines the stable operating current level of the device. The amplifier is susceptible to oscillations when the operating current level is higher than the start-oscillation current. There are several ways of calculating the start-oscillation current, including using the linear and nonlinear theory of a gyro-TWT. In this paper, a simple way of determining the start-oscillation current of lossy gyro-TWT is introduced. The linear TWT parameters that include the effects of synchronism, loss, and gain, were converted to gyro-TWT parameters to calculate the start-oscillation-current. The dependence on magnetic field, loss, and beam alpha was investigated. Calculations were carried out for a V-band gyro-TWT for both operating and competing modes. The proposed method of calculating the start-oscillation current provides a simple and fast way to estimate the oscillation conditions and can be used for the design process of a gyro-TWT.

G波段二次谐波准光回旋行波管研究

为开展适用于太赫兹频段的大功率回旋放大器研究。对基于准光共焦波导的二次谐波准光回旋行波管进行了研究,理论与仿真结果表明,准光波导具有良好的模型选择性,利用器件的二次谐波工作,其基波与二次谐波的返波振荡可以得到很好的抑制。在理论与仿真研究基础上,设计了一只G波段的二次谐波准光回旋行波管,理论计算结果表明:在65 kV电子束电压、10 A电流、速度横纵比为1、磁场强度为4.19 T时,最大输出功率为90 kW,效率为13.8%,增益为34.8 dB。当输入功率10 W时,-3 dB带宽为2 GHz。

基于高阶模的太赫兹回旋行波管研究

回旋行波管作为电真空器件之一,兼具大功率、宽频带、高增益等特性,在无线通信、电子对抗、安检成像等领域具有广泛的应用前景。本文通过理论研究和粒子仿真(Particle in Cell,PIC)完成了G波段回旋行波管的优化设计,其采用周期性介质加载波导,工作模式为TE 02模。PIC仿真结果显示,当输入60 kV、3 A的电子注时,回旋行波管在215 GHz的输出功率为14 kW,对应效率和增益分别为7.7%和45 dB,3 dB带宽为9.5 GHz。

Ka波段大回旋电子注介质加载回旋行波管输入耦合器研究

针对Ka波段大回旋电子注回旋行波管设计了一个TE 21模式输入耦合器。该输入耦合器结构为Y形功分器,将输入的矩形波导TE 10模式转换为圆波导的TE 21模式进行输出。本文对其转换原理进行了简要介绍,通过仿真确定了输入耦合器模型的参数,并加工出部件,并进行了实际测试,测试的结果满足Ka波段大回旋行波管的信号输入要求。

周期介质加载大轨道回旋行波管研究

通过耦合系数、模式竞争和起振条件分析谐波状态下采用大回旋电子注周期性介质加载结构的注波互作用特点,并通过理论分析和PIC粒子模拟,优化设计出一支Ka波段大回旋电子注回旋行波管。该回旋行波管处于二次谐波工作状态,互作用结构采用周期性介质加载结构,结构简单,工艺成熟。仿真结果表明,在电子注为75 kV、电流为9 A、磁场强度仅为0.51 T的工作条件下,所设计的回旋行波管最大输出功率达到了156 kW,3 dB带宽为4.4 GHz,最大增益为47.18 dB,磁场用常规电磁线圈磁体产生即可达到要求。

Ka波段回旋行波管高效率输入耦合器设计

为了实现Ka波段回旋行波管高纯度TE01模式输入,通过在输出口添加滤波结构,对二级功分TE01输入耦合器进行改进,改进后杂散模式传输效率由平均7%下降至2%。该结构主体为一个级联的两级Y型功分网络,能高效地实现矩形波导TE10模式到圆波导TE01模式的转换。在基于传输线理论对功分网络的传输性能理论分析的基础上,借助三维电磁仿真软件进行多次优化迭代,最终得到了一个在31 GHz附近模式转换效率大于99%的宽带TE01输入耦合器,该输入耦合器具有5 GHz的−0.1 dB插入损耗带宽,同时有效频带内的平均模式转换效率高达98.6%,模式纯度在99%以上并且回波损耗小于−15 dB。采用矢量网络分析仪对该器件进行了背靠背冷测实验,结果表明,其带内衰减约为0.5 dB,与仿真计算结果偏差较小,符合工程实际需求。

高功率回旋行波管新型宽带输出窗的设计

首先利用场匹配理论和传输级联矩阵建立多层介质窗的普遍分析方法,对回旋行波管输出窗进行解析分析,在理论分析和数值计算的基础上得到回旋行波管宽带输出窗的结构和尺寸;然后利用三维高频分析软件HFSS进行仿真和验证.通过热分析和优化设计,在Ka波段获得了平均功率容量达到50 kW,反射系数小于-20 dB的带宽约为3.6 GHz的高性能新型宽带输出窗.冷测实验表明,冷测结果与数值计算结果较为吻合.

高功率毫米波回旋行波管宽带输出窗设计

首先利用场匹配理论建立传输级联矩阵对回旋行波管输出窗进行解析分析。在理论分析的基础上,通过数值计算得到回旋行波管宽带蓝宝石输出窗的初步结构和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS进行仿真验证。通过大量计算与仿真,为Ka波段TE01模回旋行波管设计出驻波比小于1.2的输出带宽约为6GHz,相对带宽大于17%的高性能3层窗片结构蓝宝石输出窗。通过冷测实验研究表明仿真计算结果与冷测结果基本一致。

高次谐波开槽回旋行波放大管自洽非线性数值模拟

在未考虑电子注速度零散、引导中心零散以及波导壁损耗的情况下，采用四阶龙格库塔法，对均匀截面开槽高次回旋行波放大管注波互作用进行了数值计算，得出一些重要的互作用规律。电子注绕轴作大回旋运动。在π模式、四次谐波、３５．０５ＧＨｚ、５８ｋＶ、８Ａ、ｖ⊥／ｖ∥＝１．５的情况下，饱和效率达到２４．４％，增益为３４ｄＢ，峰值功率为１１３．２ｋＷ，饱和带宽为４％。

Q波段回旋行波管宽带高平均功率输出窗设计与热分析

利用场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对多层窗片结构输出窗进行研究,通过大量的数值计算给出Q波段回旋行波管一种新型中间风冷结构输出窗的参数,然后通过数值计算和HFSS仿真验证,该新型输出窗在46～50GHz范围内,S11反射系数小于-20dB.在此基础上进一步对该输出窗进行热分析,热分析表明：新型输出窗窗片中心与边缘温差与传统输出窗相比大幅下降,热应力大大减小,提高了输出窗的功率容量.回旋行波管工作在TE01模式时,新型输出窗获得的最大饱和功率容量达到90kW,与传统输出窗相比,功率容量提高了21.8kW.

大回旋cusp电子注数值模拟

新一代宽带、高增益、大功率回旋行波管需要新型的电子注,而大回旋cusp电子注为其实现提供了可能。对大回旋cusp电子注进行系统理论分析,建立了大回旋cusp电子注的物理模型,在理论分析基础上进行了大量数值计算和模拟优化,并对大回旋cusp电子枪设计中的影响因素进行探讨。设计出一支低速度零散、高速度比、低纹波,适用于高次谐波的高功率(54 kV,2.7 A)cusp电子枪。

Ka波段基波回旋行波管放大器的模拟与设计

完成了Ka波段基次谐波TE01模回旋行波管的初步设计,通过PIC模拟计算获得了回旋行波管稳定工作的详细物理图像和参数依赖关系.模拟计算表明,在电子注电压为100kV,电子注电流为20A,工作磁场为1.27T时,放大器可以获得大于450kW的输出功率、50dB增益、大于22.5%的效率和约为5%的带宽.

Ku波段回旋行波管设计与分析

设计了用于Ku波段的介质加载回旋行波管。阐述了磁控注入电子枪的设计,采用均匀介质加载的结构来抑制回旋行波管的自激振荡,降低了回旋行波管的起振电流,同时提高了寄生模式的起振长度。设计了线极化输入耦合器。设计的回旋行波管工作电压为70kV,工作电流为10A,最大峰值功率210kW,最大功率处增益为35dB,3dB带宽为1.8GHz。

Ka波段高功率回旋行波管输出窗的优化设计和功率容量的研究

利用场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对高功率Ka波段双窗片结构输出窗进行分析优化计算,再通过高频电磁软件HFSS进行验证,设计出了相对带宽大于11%的双层窗片输出窗。用HFSS与有限元分析软件ANSYS协同仿真的新方法对双窗片输出结构进行热分析,研究了Ka波段回旋行波管工作模式分别为TE01和TE11两种不同模式时双窗片结构输出窗在不同频点的功率容量。研究表明:工作模式为TE01时输出窗片的功率容量比工作在TE11模式下大约高8 k W。

回旋行波管分布式介质加载高频结构研究

利用线性理论对Ka波段工作模式为TE01模的回旋行波管进行了稳定性分析,计算了介质加载条件下工作和寄生模式的传播损耗,以及不同传播损耗下工作模式的起振电流;对不同介质加载条件和工作电流,给出了3个主要寄生模式的起振长度;确定了介质加载厚度以及相对介电常数等参数。计算结果表明,在优化得到的介质加载条件下,寄生模式在其各自振荡频点的单位长度传播损耗大于抑制各寄生模式返波振荡所需最低损耗值要求;工作模式起振电流大于设计所需工作电流;寄生模式的起振长度大于设计的介质加载段和未加载段长度;设计的介质加载参数能够满足抑制工作和寄生模式自激振荡的要求。利用优化设计的高频结构及介质加载参数,进行了整管热测实验,得到了输出功率160kW,饱和增益40dB,效率22.8%以及3dB带宽5%的回旋行波管。

MAFIA计算螺旋型回旋行波管色散特性

为了给回旋行波放大器中螺旋管的设计提供一种简单易行的计算和优化方法,构建了特定的螺旋型回旋管模型,并用色散特性方程和MAFIA软件计算了其色散特性.采用MAFIA软件计算时,由于周期条件,相移从-180°到180°,每30°计算一次,对应的传递常数从-0.837 8 cm-1变化到0.837 8 cm-1.由于在准周期条件中相应的相移对应相应的传递常数,求解出对应的基模频率,通过模式识别,得出耦合以后的模式频率,即可以得出色散曲线.结果表明:在8.3～10.6 GHz的工作频率范围内,两者的计算结果吻合较好,相对偏差小于0.5%.色散曲线趋于斜率为正的直线,该特性说明了螺旋型回旋行波管具有较高的工作效率和较宽的带宽.

新型宽带大功率毫米波回旋行波管发射机

介绍了大功率毫米波雷达和应用于毫米波段微波管的特点。阐述了回旋管的分类和宽带大功率毫米波回旋行波管的工作原理、超导磁场的实现方法和Marx调制器等毫米波雷达发射机中的关键技术。根据回旋行波管放大器的工作特点,给出宽带大功率毫米波发射机系统方案及关键技术的解决方法。

具有高稳定性的超高增益回旋行波管放大器

该文结合线性理论和自洽非线性理论对Ka波段TE11模超高增益回旋行波管放大器的稳定性进行了研究。研究揭示了回旋行波管中前向波绝对不稳定性和返向波振荡之间的区别,以及分布损耗技术对这两种自激振荡的抑制作用,并首次提出通过渐变磁场技术来提高系统的稳定性。基于该分析方法设计的Ka波段超高增益回旋行波管,采用电压100kV,电流7A,速度零散5%的电子注,获得了-1dB的饱和功率带宽约5GHz,最高增益约80dB。

周期损耗介质加载波导与均匀圆波导间的模式映射

损耗介质环与金属环间隔加载的周期损耗介质波导能够有效地控制各种模式的衰减特性,这对于抑制毫米波回旋行波管放大器的绝对不稳定性和提高其性能具有重要作用.针对应用于Ka波段、TE01模的回旋行波管放大器的周期损耗介质加载圆波导,系统地分析了该周期系统与均匀系统间的模式映射关系.研究表明,当介质层厚度一定时,均匀介质加载波导中的高阶模式可以映射为光滑波导中的低阶模式,且相互映射的模式在中空区域的场型一致.周期系统中的模式表现出复合模式的分布.在一个周期中,介质段和金属段的模式分别映射为均匀介质波导和金属波导中的模式.明确周期介质加载波导系统与均匀波导系统间的模式映射关系是分析发生在这种复杂的互作用回路中的回旋电子脉塞注波互作用的前提,对简化其物理模型具有指导作用.

Ka波段TE_(01)模回旋行波管宽带输入耦合器的设计

Ka波段TE01模回旋行波管的输入耦合器将矩形波导中输入的TE10模转化为圆波导中TE01模的行波场,以实现对回旋电子注角向速度的调制。本文首先对Ka波段TE01模回旋行波管的输入耦合器进行了解析分析和数值计算。通过数值计算得到输入耦合器的初步结构和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS进行精确的模拟和修正。通过优化设计在Ka波段获得了3 dB带宽约为3 GHz,1 dB带宽大于2GHz的高性能TE1□0-TE4◎11-TE0○1输入耦合器和3 dB带宽约为3.5 GHz,1 dB带宽约为3 GHz的高性能TE1□0-TE5◎11-TE0○1输入耦合器。冷测实验研究表明优化设计结果与冷测结果相吻合。