相对论返波管中的脉冲缩短现象

脉冲缩短现象是高功率微波器件中普遍存在的物理现象,它将导致输出微波的能量低于预期值。用粒子模拟的方法研究了相对论返波管在填充氦气以及存在中性背景气体时的脉冲缩短现象。从计算结果可以看出,器件内残留的中性背景气体是产生脉冲缩短的原因之一,但并不是最重要的因素;对于充气的相对论返波管,为了展宽脉宽,充气气压必须控制在一个适当的水平。器件内部强电场的射频击穿和慢波系统表面的爆炸发射可能是引起脉冲缩短的更为重要的因素。

近太赫兹频段线性注真空器件的研究

介绍了太赫兹频段真空电子器件的研究和开发进展,包括慢波结构理论、设计、模拟及优化,微加工和微组装技术,整管技术等。这些器件包括行波管、返波管、斜注管、止带振荡器及行波管谐波放大器等,高频结构以折叠波导慢波结构为主,在太赫兹返波管中则利用叶片加载波导慢波结构。器件技术包括微机电系统(MEMS)技术,微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石生长、金属化和封接技术等。最后给出W波段、G波段以及340 GHz部件和器件所达到的性能。

相对论返波振荡器研究进展

对高功率相对论返波振荡器（Ｒ—ＢＷＯ）的国际国内研究情况进行了全面综述，报道了Ｒ—ＢＷＯ理论和实验研究的最新进展，预测了Ｒ—ＢＷＯ的发展趋势，提出了一些建议。

W波段回旋行波管绝对不稳定性的分析

绝对不稳定性是制约回旋行波管性能的主要因素之一。通过回旋行波管色散方程,详细分析了W波段基波回旋行波管绝对不稳定性的形成和特征,提出了采用多段损耗波导来抑制绝对不稳定性的方法。分析表明,绝对不稳定性的起振存在一定阈值,起振电流对电子注参数和电路参数极其敏感,确定起振电流是稳定器件工作的前提条件。通过PIC模拟,给出了采用无损耗波导结构,且工作电流为25 A和10 A条件下的放大器频谱图和功率图,结果表明绝对不稳定性的出现与否主要由工作电流是否超过起振的阈值电流决定,损耗波导是抑制绝对不稳定性的有效手段。

Ka波段500W螺旋线行波管高频结构及互作用研究

本文介绍了Ka波段500W毫米波螺旋线行波管高频结构设计和注波互作用模拟计算结果，计算了品字形高频结构的色散、耦合阻抗和衰减常数等参量。利用CST软件对返波振荡的起振长度进行了计算，根据计算结果提出了相速渐变法抑制返波振荡的措施。研制出了Ka波段螺旋线行波管样管，行波管在Ka波段2GHz工作频带内饱和输出功率在490～550w之间。

正弦波导慢波结构的研究

提出了一种新型的可用于产生、放大毫米波和太赫兹波的正弦波导慢波结构。该结构有天然的带状电子注通道,具有低欧姆损耗和弱反射,且易于加工等独特性质。计算了慢波结构的高频特性,粒子模拟分析了该慢波结构在220GHz行波管及220GHz返波管中的应用潜力。研究结果显示,正弦波导将是一种很有潜力的可应用于大功率毫米波及太赫兹辐射源的慢波结构。

X波段类周期加载微波腔的优化设计和粒子模拟

提出了一种类周期加载微波腔结构,通过理论和全电磁 2.5 维相对论粒子模拟程序计算,证实了电子束可以与这种谐振腔结构发生相互作用。基于该谐振腔特点,通过ASTRA程序(包含电子束自身空间电荷场的粒子运动模拟程序)设计和优化了一个 X波段的类周期加载微波腔振荡器,该振荡器的束波转换效率理论值可达52%,工作频率为9.4 GHz。然后用全电磁2.5维相对论粒子模拟程序进行了进一步的优化,模拟中,输入电压700 kV,电流6.6 kA,磁场4.4 T,其输出功率为1.67 GW,束波转换效率达到36%。实验上输出微波峰值功率达到1.3 GW,脉宽26 ns,束波转换效率为26%。

提高行波管的返波起振电流

本文利用二波理论对三种典型实用的非均匀输出线路的返波起振电流进行了研究并得出相应结论 .分析不仅适用于弱的渐变线路 ,也适用于中等及较强的线路渐变 ,为研究宽带高功率行波管提供了重要的设计依据 .

基于SDRWS的340 GHz返波管的计算机模拟

采用计算机模拟的方法对一种基于双排矩形波导慢波结构(SDRWS)的340 GHz返波管进行详细研究。首先对返波管所需的电子枪和永磁聚焦系统进行计算机模拟,结果表明,永磁聚焦系统与电子枪相结合,能够产生并维持14~17 kV,43.4 mA的电子注和18~21 kV,56.1 mA的电子注,且电子注电压在14~21 kV之间时,电子注在慢波结构区域的最大半径小于0.08 mm,半径波动最大值为0.034 mm。利用所计算的电子注,对基于SDRWS的340 GHz返波管进行互作用计算,结果表明,当电子注电压在14~21 kV之间调谐时,输出电磁波在326~352.6 GHz之间,输出功率大于2 W。同时,SDRWS的电子注通道半径为0.09 mm,相对较大,降低了返波管的制造难度。

低增益kW级mm波螺旋线行波管高频结构设计

根据固态器件的发展和返波振荡抑制的特点，针对kW级mm波螺旋线行波管设计了低增益高频结构，通过切断、螺距渐变和添加衰减器的方式对返波振荡进行了抑制。通过微波仿真软件对其色散特性、耦合阻抗特性进行了模拟计算；通过三维大信号注波互作用计算软件进行了注波互作用计算与优化，并使用粒子模拟（PIC）软件进行了计算。结果显示，在频带29～31GHz范围内，输出功率达到1002W，增益大于21dB，电子效率大于16．8％，返波振荡得到抑制。

带谐振腔反射器的低磁场返波管实验研究

谐振腔反射器到慢波结构输入端之间的漂移段长度对返波管效率有较大影响,文章对该影响进行了理论分析和数值模拟。结果表明:由于谐振腔反射器对电子束的预调制作用,返波管输出功率随漂移段长度的增加而呈现多峰值现象,在选取合适的漂移段长度时,可以显著提高其微波产生的效率。在SINUS-881加速器上开展实验,在引导磁场为0.7 T,漂移段长度为4.9 cm的条件下,实验获得了功率为700 MW,频率为8.7 GHz,脉宽20 ns的微波输出,效率约14%。实验研究证实了模拟结果的正确性。

返波管振荡器与热释电探测器在太赫兹领域中的应用

目前返波管振荡器与热释电探测器在太赫兹目标特性领域得到广泛应用,文中揭示返波管振荡器中的慢波系统与热释电探测器中的热释电效应两个核心内容,并利用物理学有关理论对其工作原理进行了详细的阐述,同时围绕返波管振荡器与热释电探测器在太赫兹目标特性中的应用情况进行介绍。

相对论返波管模式变换器的研究

根据相对论返波管的需求设计了一种模式变换器兼反射器。它将工作模式ＴＭ１１转换成ＴＥ１１模的同时将ＴＥ１１模反射回去，用普通的喇叭形成高斯波束发射输出。在设计方案中，它是旁壁对称正弦波纹的圆波导，变换器的中心频率为１０ＧＨｚ。数值模拟结果显示，变换器的长度为７个周期时，中心频率点转换的效率已超过了９０％，工作频带达到±０．３ＧＨｚ。

螺旋线行波管中功率洞问题的研究

宽带螺旋线行波管在一较窄的频带内出现饱和输出功率凹陷的现象被称为功率洞。功率洞对于放大器所应用的系统,特别是通信系统的整体性能会产生严重影响。本论文分析了宽带螺旋线行波管中功率洞产生的原因,介绍了一种解决功率凹陷的办法—渐变磁场法,并应用二维大信号注波互作用程序进行仿真,研究结果表明:采用渐变磁场法可以在一定程度上有效地抑制功率凹陷,使宽带螺旋线行波管在工作频带内的饱和输出功率随频率变化的曲线较为平坦。

Ka波段500W螺旋线行波管返波振荡抑制的设计和计算

本文针对Ka波段500 W螺旋线行波管的高频结构,通过软件计算色散和返波耦合阻抗,求出了返波振荡的起振电流与高频长度的关系,利用粒子模拟软件仿真证明固定螺距的高频结构存在返波振荡,不能满足设计要求。在此基础上,设计了一种螺距渐变的高频结构,通过粒子模拟证明其可以有效抑制返波振荡,为行波管的研制提供了设计指导。

W波段梯形慢波结构返波管的研究

本文采用梯形慢波结构作为返波管的高频系统,研究了一种工作在低电压条件下的W波段返波管。本次研究采用三维电磁仿真软件CST计算梯形慢波结构的色散特性和耦合阻抗;采用PIC软件模拟注波互作用。结果显示:电压范围在5.5~8kV变化时,梯形线工作在104GHz左右,带宽约为1.35GHz。注波互作用仿真结果显示其工作在高次空间谐波处,输出效率在2%左右。

太赫兹返波振荡管的时域粒子模拟

沿袭Rowe的返波管大信号理论建立的方法,在Birdsall的IBC时域互作用粒子模型基础上建立了返波振荡管的时域互作用粒子模型,并对太赫兹频段的某返波管进行时域互作用粒子模拟。

0.5 THz双电子注返波管注波互作用的高频结构优化

返波振荡器是一种重要的真空电子学太赫兹源,具有高功率、高工作频率和宽带调谐等特点。为提高圆形电子注与光栅慢波结构的互作用,提出一种双电子注嵌入矩形光栅的慢波结构,使电子注与光栅表面电场更好地充分相互作用,从而提高互作用效率和输出功率。通过数值求解和仿真计算其色散特性,结果表明,相比于相同结构参数的普通矩形单栅,该结构可以实现更高的工作频率和耦合阻抗。利用CST进行PIC仿真,优化结构和电子注参数,最终得到工作频率501 GHz,10.6 W的稳定输出。研究成果为设计0.5 THz的返波管提供了理论指导。

返波激励的级联折叠波导行波放大器

利用折叠波导返波振荡器(FW-BWO)作为激励源,用于激励工作频率为216 GHz的折叠波导行波放大器.利用3D-Magic进行仿真实验,通过仿真优化,最终得到96 W的输出功率,整个电路的长度被设计为只有1 cm左右.通过该方法,显著地缩短了高频结构长度,有利于实现小型化的真空电子学太赫兹源,对集成化的太赫兹源设计具有重要的参考价值.

高功率微波器件中脉冲缩短现象的粒子模拟

脉冲缩短是高功率微波器件的一个普遍现象 ,它阻碍了输出微波能量的进一步提高 ,是高功率微波研究领域中急待解决的问题 .以相对论返波管作为研究对象 ,运用粒子模拟的方法 ,研究了器件表面的爆炸发射、电子束电压和电流的脉动对输出微波性能的影响 ,从中得到了一些有益的结论 ,指出由强电场引起的慢波系统表面的爆炸发射是产生脉冲缩短的重要因素 ,电子束电流和束电压的脉动也会引起脉冲缩短 。