一种基于嵌套结构的锁频锁相高功率微波振荡器仿真研究

高功率微波(HPM)产生器件通过增加慢波结构的过模比使得功率容量显著提高。嵌套型结构让过模器件的空心结构或内导体结构得到使用,同时嵌套型器件的低阻抗使得其与低阻脉冲功率源能良好匹配。基于内外嵌套结构提出了一种锁频锁相高功率微波振荡器。相对于传统的锁频锁相方法,提出了基于耦合波导实现锁频锁相的新方法。内外相对论速调管振荡器(RKO)产生的微波信号通过耦合波导泄漏到高频结构中,对电子束进行预调制,从而实现锁频锁相。另外,为实现内外高功率微波通道合成,设计了双通道功率合成器。在振荡器的工作频点,功率合成器能弥补振荡器两输出通道相位差,使得功率合成效率提高,合成效率为98.3%。在二极管电压575 kV,磁场强度0.6 T条件下,内外RKO的微波输出功率分别为2.2 GW和3.2 GW,频率差波动小于20 MHz,相位差稳定在10°附近;加载双通道功率合成器,仿真结果表明,微波输出功率为5.31 GW,功率效率32.2%。结果表明,嵌套器件在互锁状态时,振荡器饱和时间缩短,输出功率增大。

高Q值单间隙同轴谐振腔的物理设计与实验研究

随着高功率微波源向高功率、高频率和长脉冲方向不断发展,同轴相对论速调管放大器(RKA)成为近年来研究热点之一,然而其发展一直受限于自激振荡等问题存在,为此,设计一种高Q值单间隙同轴谐振腔,以抑制同轴RKA中TEM模式泄露引起的自激振荡。通过对单间隙同轴谐振腔TM_(01)模式与TEM模式转化进行理论分析与仿真模拟,发现同轴谐振腔上下槽深差值与轴向错位值对其Q值变化影响很大,当上下槽深差值与轴向错位值分别为0.3 mm和0 mm时,同轴谐振腔的Q值为极大值(18764),意味着此时谐振腔中两种模式转化最小,多组谐振腔级联后自激振荡风险大大降低。将三组级联的高Q值单间隙同轴谐振腔应用于紧凑型同轴RKA,粒子模拟和实验结果表明,器件的输出微波功率稳定,频谱纯净,无自激振荡等问题存在。

RECENT PROGRESS IN MULTI-BEAM KLYSTRON IN IECAS

Recent research progresses in Multi-Beam Klystron (MBK) in IECAS are briefly introduced in the letter. The S-band MBKs of IECAS have peak power of 120-250 kW, average power of 4-9 kW, efficiency of 35-45%, gain of 41-46 dB, beam voltage of 15-19 kV, and weight of 40-45 kg. Some key technical problems of MBK are also described and discussed. Among them,improving the design of MBK to obtain the required bandwidth, raising beam transmission to increase average power, eliminating oscillation and spray spectrum, overcoming window breakdown caused by magic mode, reducing breakdown times of electrongun, are most important things for the practical MBK. Besides, further research work in MBK in IECAS is commented.

长脉冲相对论速调管放大器杂频振荡的分析与抑制

分析了S波段长脉冲相对论速调管放大器(RKA)输出微波杂频振荡和功率波形包络振荡的主要根源,采用粒子模拟程序对RKA电子束尺寸和阻抗、群聚距离、输出腔有载Q值、引导磁场、注入微波等参数的调节,有效抑制了杂频振荡.根据分析结果开展了相应的实验研究,得到了较好的实验结果,输出微波由300MW提高到540MW,脉宽由50ns提高到120ns,辐射微波重复频率20Hz,束波转换效率30%,杂频振荡得到了有效抑制.

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.

一种宽带速调管中高次模式振荡的抑制

该文描述了在一种S波段宽带速调管研制过程中出现的高次模式振荡现象,分析了抑制这种振荡的可能方式,提出了一种抑制这种振荡的方法。该方法通过改变谐振腔结构,在基本不影响基模频率的前提下,使高次模式频率产生较大的改变,从而使该高次模式的振荡得到抑制。利用Ansoft HFSS模拟设计软件,对谐振腔进行了改进设计并完成了相应的实验验证。利用改进设计的谐振腔,进行了速调管整管试验,有效地抑制了速调管中高次模式的振荡。

S波段四腔相对论速调管放大器的整管性能

在速调管放大器中,中间谐振腔一方面可以提高器件的放大增益,另一方面也容易产生杂频振荡,影响器件正常工作。针对这种杂频振荡的影响,在三腔相对论速调管的基础上发展了四腔相对论速调管。采用PIC粒子模拟软件从整管上对四腔强流相对论速调管放大器的冷腔结构、束波互作用、微波提取等方面进行研究。为得到输出功率和效率的最优值,结构上采用低互作用输入腔,设计了阶梯状结构漂移管,通过对输出腔作用间歇进行优化处理抑制电子回流。模拟结果表明整管微波模拟输出功率达了3.7 GW,效率22%,增益56 dB,1 dB带宽74 MHz,并实现了对杂频振荡的抑制。

S波段长脉冲相对论速调管放大器的实验研究

介绍了S波段强流长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的高频系统设计、长脉冲强流相对论电子束(IREB)的调制及微波提取等方面的实验研究结果。重点阐述了长脉冲IREB调制和输出微波中的自激振荡问题。通过采用高阶工作模式以及参差模式设置的谐振腔、提高系统安装的同心度和调节电子束参数等措施,使自激振荡得到了抑制。采用550 kV,4 kA及210 ns的环行电子束,经过优化调节RKA参数,使强流调制电子束流脉宽由50 ns增加到150 ns,同时得到了3.2 kA的基波调制电流。从该RKA得到了峰值功率580MW、脉宽140 ns的输出微波,束波转换效率26%,增益34 dB。

电子回流对相对论速调管稳定工作的影响

模拟研究了电子束电压、电流及注入微波功率等参数对相对论速调管放大器中电子回流产生的影响,模拟发现注入微波过高、电子束电压过低及电子束电流过大都会导致电子回流。同时研究了回流电子对相对论速调管稳定工作的影响,研究发现,电子的回流会引起自激振荡,进而导致锁频锁相失败,器件不能稳定工作。

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。

径向速调管振荡器的理论设计与数值模拟

分析了一次性微波源—基于渡越时间效应的径向速调管振荡器的微波产生和起振条件。进行了 GW级功率输出径向速调管振荡器的理论设计和数值模拟 ,得到 1 .6× 2 GW( f =6.0 GHz)的峰值功率微波输出 (周期平均 ) ,在给定的电压脉冲条件下 ,微波脉冲宽度约为 4 0 ns( FWHM)。

S波段大功率宽带速调管输出窗鬼模振荡的抑制

实验发现,当盒型输出窗圆波导与两端矩形波导的中心轴线出现偏离时,在高频状态下,输出窗存在鬼模振荡的隐患,引起输出窗打火,导致窗片炸裂。该文介绍了一种S波段大功率宽带速调管输出窗鬼模振荡抑制的方法。通过模拟仿真分析和实验研究,调整了输出窗圆波导段的结构,在对带内驻波系数影响较小的条件下,成功地消除了鬼模振荡的隐患,确保即使出现波导轻微不对称的情况,也不会发生因鬼模振荡而引起的输出窗打火现象。

衰减材料对高增益相对论速调管自激振荡的抑制

在高增益相对论速调管放大器中,自激振荡严重影响器件的正常工作并导致脉冲缩短。通过粒子模拟研究了高次模式自激振荡的激励机制,并提出在器件内加入微波衰减材料来抑制该类自激振荡。详细研究了衰减材料的电导率和几何参数与高次模式衰减常数的关系,并开展了微波衰减体的冷测实验。冷测表明微波衰减体对高次模式的衰减达11.25 dB,其性能满足器件实验要求,可以用于高增益相对论速调管的热腔实验。

X波段长脉冲多注相对论速调管放大器杂模振荡抑制

为进一步提高相对论速调管放大器(RKA)的工作频率和输出功率,开展了X波段GW级长脉冲多注RKA实验研究,对实验中出现的杂模振荡现象进行了模拟和实验分析。结果表明,电子回流是导致实验中出现杂模振荡的主要因素,采取了相应措施减少电子回流从而抑制杂模振荡,实现多注RKA输出微波功率约为0.98GW,脉宽为95ns,频率为9.405GHz。

高增益相对论速调管放大器自激振荡的分析与抑制

通过二维和三维粒子模拟研究了高增益相对论速调管放大器中高次模式的激励机理,两者结果的一致性排除了高次非对称模式激励的影响。由此建立了高次模式起振的理论模型,给出了高次模式的起振电流。并通过在器件内加入微波衰减材料来抑制高次模式自激振荡,模拟获得了1.95GW的微波输出,增益62.8dB。

新型高功率虚阴极径向反射速调管振荡器

提出了一种新型的高功率虚阴极径向反射速调管振荡器,它结合了虚阴极振荡器容易起振和速调管微波产生效率较高的特点。利用虚阴极反射电子束对调制腔的正反馈,可以减小起振电流和起振时间,而且提高了微波产生效率。它是一种结构简单、紧凑的器件。用2.5维PIC程序对这种器件进行了数值模拟研究。得到的数值模拟结果表明,输入电压620 kV,电流25 kA,输出微波周期平均功率为2.5 GW。虚阴极振荡频率被锁定,频率为1.25 GHz。

毫米波扩展互作用器件

扩展互作用器件是一种采用慢波谐振系统作为高频互作用电路的真空电子器件,是目前能够在毫米波亚毫米波段提供大功率输出的重要器件之一。本文给出了目前国内外毫米波亚毫米波段扩展互作用器件(EIK和EIO)技术的发展情况,并介绍了扩展互作用器件在毫米波亚毫米波段的技术特点和最新研究趋势。

一种新的高功率微波折叠式谐振腔径向速调管振荡器

提出一种高功率微波折叠式谐振腔径向速调管振荡器,用电子与电磁场相互作用的一维单电子模型分析了这种折叠式谐振腔径向速调管振荡器的特点。其特点为:径向尺寸小,起振电流低。用二维半PIC程序对折叠式谐振腔径向速调管振荡器进行数值模拟研究。结果表明,当二极管电压为380kV,电流为18kA时,输出微波功率峰值为1GW,主要微波频率为1.52GHz,输出微波为多频率成分微波。通过折叠式谐振腔的电子束得到很强的调制。

新型高功率径向强流速调管振荡器

提出了一种新结构的高功率径向强流速调管振荡器,该器件利用折叠式同轴谐振腔的微波场与接近空间电荷限制电流的径向电子束强烈相互作用产生高功率微波。首先对这种器件的实现机理进行了初步的分析,提出了有间隙电压情况时的径向同轴间隙的空间电荷限制电流1维近似估计模型。分析表明:对于电子束直流接近但小于直流空间限制电流的径向速调管,当有调制间隙电压时,空间限制电流要小于无调制间隙电压情况下的直流空间限制电流,径向强流电子束电流接近和超过空间电荷限制电流时会出现强烈的调制。然后用PIC程序对其特性进行了粒子模拟,在二极管输入电压500 kV、电子束电流为30 kA条件下,最终得到了峰值功率6 GW、频率1.3 GHz的微波输出。

大功率速调管中寄生振荡问题的实验研究

本文详细地描述了在S波段20MW大功率速调管和S波段1.5MW宽频带速调管中观察到的两种不同类型的振荡现象。实验和理论分析表明,一种类型的振荡足电子枪区的二极管振荡,另一种类型的振荡是由速调管谐振腔的高次模TM_((?)11)引起的π模型单腔振荡。为研制工作稳定可靠的高峰值和高平均功率速调管提供了有价值的理论和实验依据。