太赫兹回旋管研究进展

回旋管是一种基于电子回旋谐振受激辐射的快波器件,是目前太赫兹波段输出功率和效率最高的重要器件,本文给出了目前国内外太赫兹回旋管技术的发展状况,分析了太赫兹回旋管的特点和应用前景.     

220GHz同轴谐振腔回旋管研究

同轴谐振腔相比波导谐振腔具有更大的功率容积,通过调整内外径的尺寸还可降低模式竞争。本文介绍了电子科技大学目前220 GHz同轴谐振腔回旋管的设计与研制工作,给出了谐振腔、电子光学系统与输出结构的设计参数与仿真结果,仿真结果表明该设计可获得100 kW以上的输出功率与20%以上的互作用效率。     

225 GHz回旋管同轴输出结构的数值模拟

在225 GHz回旋管同轴输出腔结构特性的基础上,采用三维电磁软件给出了输出腔后同轴输出结构的设计。数值模拟了内轴不同半径和截断长度对传输效率和带宽的影响,并由此设计出中心频率225 GHz、传输效率为96.2%、带宽接近4GHz的同轴输出结构。     

太赫兹回旋管的现状及其发展

太赫兹回旋管一种具有重要发展前景的高功率太赫兹源。简要介绍了回旋管的结构和基本原理,并且评述了国内外太赫兹回旋管的发展状况和趋势;同时指出了太赫兹回旋管发展中存在的关键问题及一些建议。     

220GHz高功率同轴谐振腔回旋管

介绍了220 GHz同轴腔回旋管的设计,工作模式为TE04圆电模式.采用自洽非线性理论对谐振腔的工作参数进行了参数优化,选取工作电压50 k V,工作电流10 A,工作磁场8.4 Tesla.设计的同轴型双阳极磁控注入式电子枪,电子注速度横纵比1.5,速度零散5.2%.并采用粒子模拟方法进行了整管仿真.理论计算与粒子模拟结果表明,设计的220 GHz同轴腔回旋管有望获得200 k W以上的输出功率与40%以上的互作用效率.     

0.42THz频率连续可调同轴回旋管

作为目前工作在太赫兹频段输出功率最大的辐射源之一回旋管的功率可达到数十千瓦. 传统太赫兹回旋管一般为点频工作,难以满足动态核极化核磁共振等多方面技术需要。采用机械调节的方式,实现了带宽为2GHz中心频率为0.42THz二次谐波频率连续可调同轴回旋管,通过非线性理论分析发现,在不改变工作磁场条件下,在调节带宽范围内,可实现大于8kW的功率输出.     

高次谐波太赫兹回旋管的多模工作研究

为了发展大功率、实用性强的太赫兹辐射源,文中对太赫兹回旋管中多个二次谐波工作模式的注波互作用进行了理论和实验研究,分析不同参数下多个二次谐波工作模式单模振荡的条件.实验研究结果表明,在二次谐波工作状态下,通过调节工作磁场、电流等参数,在单管中实现了四个不同频率0.391、0.404、0.416、0.423 THz,千瓦级以上输出功率的太赫兹波辐射.     

太赫兹二次谐波回旋振荡管

针对应用于动态核极化核磁共振成像的太赫兹回旋振荡器管展开研究,采用相对论电子回旋脉塞非线性理论分析0.46 THz 回旋振荡管互作用系统的动力学行为,研究系统模式竞争问题。优化器件系统参数以获得较高的注-波能量转化效率。利用粒子模拟(PIC)方法验证非线性动力学研究结果,模拟结果显示当工作电压为12 kV、工作电流为0.24 A 时,输出功率和效率分别为173 W 和6%。若采用降压收集极后,则整管效率可进一步提高至14.4%。     

高次谐波大回旋太赫兹振荡器多模工作特性

设计了一支可工作于4～9次谐波的大回旋太赫兹振荡管,借助于三维粒子模拟,研究了设计的大回旋振荡管注-波互作用机理、高次谐波工作特性、谐波模式间竞争等关键特性。结果表明,通过调节磁场强度,可以在多个相邻谐波处连续激发振荡,实现频率为240 GHz到460 GHz之间的太赫兹波辐射,最大辐射功率为19kW。同时研究了第7、8和9次谐波模式之间的竞争,讨论了实现稳定注-波互作用和高次谐波状态下单模工作的方法。此外,论文还对不同谐波状态下的欧姆损耗功率进行了研究。     

频率可调太赫兹回旋振荡管互作用电路的设计与研究

根据动态核极化核磁共振成像技术对回旋振荡管的要求,设计了130 GHz 回旋振荡管的注波互作用电路,基于线性理论对互作用电路进行了研究并选择了合适的工作点,分析了电路的频率调节特性。利用相对论电子回旋脉塞非线性理论对互作用系统进行了模拟和计算,优化了工作参数,计算了磁场及电子注参数对输出功率及效率的影响。最后,用粒子模拟方法进行了模拟并与非线性理论结果进行了比较,两者符合得很好。模拟结果显示,当电压为10 kV、电流为0.3 A、磁场强度由2.34 T 增加到2.41 T 时,输出功率由1310 W 减小到230 W,对应的效率分别为43.6%和7.7%,振荡管的频率可调范围约为2.7 GHz。     

35GHz三次谐波低电压回旋管理论研究

用动力学理论分析了三次谐波复合腔回旋管中的注-波互作用,选取了工作点;建立了突变复合腔回旋管的自洽非线性理论模型,该模型既考虑了电子和高频场的自洽相互作用又考虑了复合腔过渡部分模式的耦合,基于该理论模型,对一只三次谐波35GHz突变结构复合腔回旋管中电子注与H₆₁-H₆₂高频场互作用进行了数值模拟,当电流20A,磁场为0.442T时,互作用效率为24%,输出功率为210kW.     

三次谐波光子带隙谐振腔回旋管

分析了光子晶体谐振腔（PBGC）的模式选择功能,实现PBGC回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合。通过对PBGC禁带特性的分析,定出了工作模式TE34模,并成功抑制了模式竞争。文中建立了PBGC回旋管的等效半径的概念,完成了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE34模能有效地与电子的3次回旋谐波相互作用,其耦合频率为130.5GHz,并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该3次谐波PBGC回旋管振荡器进行了参数优化研究,得到了参数为：电压430kV、电流35A、磁场1.84T、输出功率1.75MW、互作用效率11.5%的3次谐波TE34模PBGC回旋管振荡器。     

应用于动态核极化核磁共振的太赫兹回旋管

太赫兹波驱动的动态核极化核磁共振波谱技术能将信号灵敏度提高几个数量级,太赫兹回旋管可实现高功率输出,并有一定的频率调谐范围,符合核磁共振波谱系统对太赫兹辐射源的需求。介绍了应用于核磁共振波谱系统的频率可调太赫兹回旋管的发展,研究了多段式腔体结构以及频率可调太赫兹回旋管中工作电压和磁场与电子注质量的关系。在应用于动态核极化核磁共振的太赫兹频率可调回旋管工作时,多段式腔体结构明显优于传统三段式谐振腔。在设计太赫兹频率可调回旋管时,不仅要考虑改变工作电压或磁场导致的电子横纵速度比的变化,而且还要考虑改变工作电压或磁场导致的电子速度离散和引导中心半径离散的变化。     

X波段同轴腔多注速调管的研究

开展了具有同轴谐振腔互作用电路和双模工作杆控电子枪的X波段同轴腔双模多注速调管的研究工作．结合数值计算和冷测实验，对工作于TM310高次模的同轴谐振腔模式分布和特性参数进行研究，获得了可满足多注速调管要求的谐振腔特性阻抗和良好的模式稳定性．采用具有双控制极的新型杆控多注电子枪及电子光学系统，可使多注速调管具有双模的新工作特性，通过数值模拟获得了优化的几何参数和具有良好层流性和波动性的空心多电子注．对采用6个电子注和5个谐振腔的X波段多注速调管进行了注波互作用大信号计算，结果表明当电子注电压为21．5kV，脉冲电流为14．4A时，可在30MHz频带范围内获得的100kW左右的脉冲输出功率，互作用效率大于30％，增益大于36dB．     

X波段同轴腔多注速调管的研究

开展了具有同轴谐振腔互作用电路和双模工作杆控电子枪的X波段同轴腔双模多注速调管的研究工作.结合数值计算和冷测实验,对工作于TM₃₁₀高次模的同轴谐振腔模式分布和特性参数进行研究,获得了可满足多注速调管要求的谐振腔特性阻抗和良好的模式稳定性.采用具有双控制极的新型杆控多注电子枪及电子光学系统,可使多注速调管具有双模的新工作特性,通过数值模拟获得了优化的几何参数和具有良好层流性和波动性的空心多电子注.对采用6个电子注和5个谐振腔的X波段多注速调管进行了注波互作用大信号计算,结果表明当电子注电压为21.5kV,脉冲电流为14.4A时,可在30MHz频带范围内获得的100kW左右的脉冲输出功率,互作用效率大于30%,增益大于36dB.     

220 GHz同轴腔回旋管的研究

同轴谐振腔是目前有望提高电子效率的方法之一,在圆柱腔中加入内导体轴,可以使工作模附近的模谱变稀有利于模式选择,抑制模式竞争,有利于电子束的降压回收。本文通过对同轴波导进行理论研究,分析了各种参数对其的影响,并用计算机编程进行数值分析,最终得出了理论上电子效率可以达到40%以上的同轴腔体结构。     

宽带同轴腔体滤波器的设计

首先分析了宽带滤波器的制作难点,利用同轴腔体的形式实现了一款宽带带通滤波器,并通过加载电容的原理实现了滤波器的小型化。最后通过仿真软件CST设计了中心频率4.24GHz,带宽为44.3%的宽带滤波。结果表明,滤波器实物在整个频带内电压驻波比、带外抑制良好,满足手持雷达装置使用要求。     

基于遗传算法的同轴腔EMI滤波器的优化设计

在简要介绍一种新的宽频带电磁干扰(EMI)滤波器设计思路的基础上。重点论述了高频段同轴腔EMI滤波器的设计方法。本文首先给出了高频段分布参数元件滤波器的设计原理，然后利用遗传算法对高频段同轴腔EMI滤波器进行优化设计，获取优化值，并给出了精确的设计结果，最后给出了仿真结果。     

具有弯折内导体同轴谐振腔的特性研究

对于具有弯折内导体的同轴谐振腔,采用模式匹配法,导出了能够准确求解其频率的本征方程,计算了腔体的场分布和功率容量.计算结果表明,文中引入的弯折内导体结构,不仅能够使谐振腔朝着小型化方向发展,而且还能使得场分布均匀化,得到更大的功率容量.其结果对于小型化谐振腔的设计具有一定的参考意义.