W波段带状注扩展互作用速调管三维MAGIC研究

带状注扩展互作用速调管通过采用宽高比值很大的带状电子注来降低空间电荷效应,采用多间隙结构来增加功率容量,是一种高频率、高功率的微波真空放大器件。本文利用CST Microwave Studio与MAGIC设计了2π模W波段带状注五间隙扩展互作用谐振腔,重点研究了五间隙谐振腔关键结构参数对谐振腔特性阻抗与谐振频率的影响,并对器件稳定性与带状注双腔速调管注波互作用特性进行了三维MAGIC仿真与分析。最后,在电子注电压为19.5 kV,电流为3.5 A时,获得大于8 kW的输出功率、23 dB左右的增益。     

X波段带状注速调管注波互作用系统的3维PIC模拟

带状注速调管是采用宽高比值很大的薄矩形注来降低空间电荷效应,采用特殊的高频结构来增加功率容量,从而使注波互作用效率得到提高的一种新型微波电真空器件.本文对工作在π模状态下的X波段带状注速调管三间隙腔进行了模拟计算,并对由该型腔体构成的注波互作用系统进行了3维PIC模拟,给出了初步的模拟设计结果.模拟结果表明:在电子注电压为415kV,电流为250A时,该速调管可以获得大于29.6MW的输出功率、34.3dB的增益以及29.6%的效率.     

螺旋线行波管的粒子模拟研究

运用全电磁2.5维粒子模拟程序MAGIC,对螺旋线行波管中注-波互作用的非线性过程进行了模拟分析,得到了管子的功率、增益和效率等电性能参量,模拟结果与实测数据吻合良好。对整管长度、电子注电流、电压和聚焦磁场等量进行了优化,获得了管子最佳化运行的工作参数。     

基于电子注嵌入光栅的0.55 THz返波振荡器的结构设计与注波互作用的分析

根据矩形栅慢波结构的色散公式初步确定各结构参数,并分析了各结构参数的变化对色散曲线的影响,用CST微波工作室仿真,计算并对比分析嵌入与未嵌入圆形电子注的高频特性的变化趋势,得出前者对应的色散曲线和耦合阻抗曲线要大于后者的结论。利用CST粒子工作室进行注波互作用模拟,权衡起振时间和输出功率关系,确定整管的仿真长度。研究了电子注嵌入深度、填充比、电流大小对输出功率的影响,优化结构参数,最终得到14. 6 W的稳定输出功率,与Magic计算出的结果相吻合。     

DNP-NMR用263 GHz回旋振荡管高频系统的研究

根据动态核极化核磁共振(DNP-NMR)发展需要,对应用于400 MHz DNP-NMR的263 GHz回旋振荡管高频系统进行研究,通过非线性理论计算程序对其进行分析,给出了工作模式为TE03的高频系统的设计参数。并通过粒子模拟(PIC)软件进行注波互作用计算,结果表明,在工作电压10 kV,注电流0.2 A,电子注速度比为2.0时,设计的高频系统输出功率为460.2 W,效率达到23.1%,约1 GHz的调频率范围,可满足263 GHz整管参数设计要求,从而为DNP-NMR用回旋振荡管的研制打下技术基础。     

过模表面波振荡器输出太赫兹波模式的影响因素分析

采用轴向电场分解与PIC(Particle-in-cell)模拟相结合的方法,研究了二极管参数、引导磁场和输出结构等因素对0.14 THz过模表面波振荡器输出太赫兹波模式的影响。当太赫兹波实现稳定输出时,其模式成分和相对相位差基本不受二极管电压的上升沿、幅度和引导磁场大小的影响,除非振荡器的工作状态发生了明显改变,但它们对阳极半径和阴阳极间距的变化较为敏感。在较小的二极管电压、阳极半径或阴阳极间距下振荡器能获得一定成分的TM01模太赫兹波输出。输出结构决定了输出太赫兹波的模式成分。通过合理设计锥形输出结构的参数,能够实现相同功率水平下的纯净TM01模输出,简单有效地解决过模表面波振荡器的多模输出问题。     

W波段回旋速调管放大器的优化设计与分析

在模式场匹配理论和注波互作用非线性理论的基础上,对TE01模W波段回旋速调管冷腔模型进行了模拟分析,通过分析结果建立了4腔高频系统粒子模拟模型,并对其注波互作用进行了详细分析、计算,优化得到在注电压为75kV,注电流为15A,磁场为3.29T,输入功率为72W,纵横速度比α为1.5时,输出功率为362kW,效率超过32%,增益为37dB的设计模型。     

同轴腔高功率多注速调管注-波互作用系统的模拟设计

以同轴腔高功率多注速调管为研究对象,以大信号程序KLY及PIC粒子模拟软件对其多电子注-波互作用系统开展了一维初始设计、二维等效设计及全三维模拟设计.通过采用二次谐波腔技术及参数优化,使同轴腔注-波互作用系统达到了70％以上的计算效率.与传统长漂移管方案注-波互作用系统相比,二次谐波腔方案不仅可以获得较高的注-波互作用效率,并且其系统长度可比传统方案缩短35％,有利于器件小型化.文中给出了以单通道圆柱腔代替多通道同轴腔的注-波互作用系统二维等效快速计算方法,与一维及三维计算结果的对比表明,这种方法具有较高的计算精度.     

新型反射腔在多频相对论返波振荡器中的粒子模拟研究

设计了两类新型同轴反射腔并成功地应用于多频高功率微波输出.反射腔采用非对称的同轴结构,置于同轴相对论返波振荡器(CRBWO)慢波系统的前端.文中利用2.5维CHIPIC粒子模拟软件进行粒子模拟研究.仿真结果表明,带有两类新型同轴反射腔的双频CRBWO都实现了X波段双频稳定输出,并且其工作的电压和磁场的稳定性要明显好于传统谐振腔双频返波管.采用第二类新型同轴反射腔,在强流电子束电压480 kV,电流7.5kA,磁场2.7T的条件下,得到了稳定的三频、四频输出,其注波转换效率分别为15.3％和13.9％,明显高于其他类型的多频高功率微波器件.     

220 GHz三注折叠波导慢波电路的设计与仿真

本文设计了220 GHz三注折叠波导慢波电路,并对其放大特性进行了分析。利用等效电路法对慢波电路结构色散特性与轴向耦合阻抗进行了计算,并通过三维高频仿真软件HFSS进行了模拟验证。利用三维电磁仿真软件CST-PS的PIC求解器对该慢波结构的三维大信号的注波互作用进行了粒子仿真,结果表明:在工作中心频率为220 GHz时,三注折叠波导慢波电路输出功率达到49.7 W,增益达到了37.05 dB,3 dB带宽为13 GHz(212~225 GHz)。最后分析了边缘电子注的注电压和注电流的减小对该结构放大性的影响。