Ku波段低磁场返波管振荡器的模拟与实验

为了实现高功率微波(HPM)系统小型化,结合传统低磁场相对论返波管振荡器(RBWO)的设计理论,设计一个Ku波段较低磁场的相对论返波振荡器。分析束压、束流、引导磁场等对输出微波的影响,并采用粒子模拟软件(PIC)优化结构。当轴向引导磁场为0.4 T,电子束束压和束流分别为600 k V和7 k A时,得到频率为13.08 GHz,功率为1.0 GW的微波输出。在强流电子束加速器平台上开展实验验证模拟结果:外加磁场0.4 T时,得到平均功率为850 MW、频率13.05 GHz、脉宽24 ns的微波输出。该实验结果为实现较低磁场GW级微波输出打下了良好的基础。     

X波段低磁场相对论返波管振荡器实验研究

基于现有永磁磁体的参数,并结合高功率微波器件的优点,设计了一个X 波段低磁场相对论返波管振荡器,当引导磁场强度为0. 48T、二极管束压和束流分别为530 kV 和7. 0 kA 时,通过粒子模拟软件得到频率9. 42 GHz、功率1. 11GW 的模拟微波输出,器件束波转换效率30%。在强流电子束加速器平台上进行实验研究,当二极管电压500kV、电流6. 2kA、引导磁场强度0. 46T 时,得到频率为9. 40GHz、功率为900MW、脉宽为32ns 的微波输出。该实验结果为低磁场器件实现高功率、高效率微波输出及永磁包装打下了良好的基础。     

高功率相对论返波振荡器的研究

本文用自洽的线性场理论对相论返波管进行了分析和数值计算,预见出器件的工作频率及特性,报道了Ｘ波段相对论返波管实验结果：器件在束流１．８ｋＡ,束能４５０ｋｅＶ的相对论电子注驱动下,在中心频率９．３０ＧＨｚ处产生了峰值功率达１００ＭＷ的微波辐射。运用全电磁的相对论的２１／２维粒子模拟程序ＭＡＧＩＣ模拟了返波管中注波互作用的非线性过程。最后对实验结果,线性理论分析结果,ＭＡＧＩＣ模拟结果进行了全面的比较     

波段双电子注相对论返波振荡器的粒子模拟

首次提出了由双电子注同轴相对论返波管来产生双频微波输出,采用2.5 维相对论全电磁PIC 粒子模拟软件,进行粒子模拟研究。结果表明在环形相对论电子注电压625kV,电流24kA,引导磁场0.772T 的条件下,器件得到了稳定的高功率双频微波输出。其双频微波频率分别为11.5GHz 和12.2GHz,两频率相差700MHz,平均功率约为1.15GW,平均功率效率7.7%。     

低引导磁场相对论返波管振荡器设计

从线性化的Vlasov方程出发,研究了相对论返波管中产生的微波功率与磁场的关系,给出了低引导磁场相对论返波管振荡器的设计准则;设计了一个高效率的高功率返波管振荡器,通过采用过模的分段、非均匀慢波结构,实现器件的高效率、高功率运行,同时通过在慢波结构末端添加部分反射腔来降低引导磁场强度.当引导磁场强度为0.6T、电子能量和束流分别为800 keV和7.6kA时,采用2.5维Particle in Cell(PIC)程序模拟得到频率为9.6 GHz、功率为1.85 GW的微波输出.     

永磁包装相对论返波管振荡器实验研究

首先通过粒子模拟设计了一个X波段的低磁场返波管振荡器,得到功率为520MW、频率为7.9GHz的微波输出;然后根据模拟结果设计加工了一个磁场强度为0.46T的小型化永磁磁体;最后在加速器上对永磁包装返波管振荡器进行了实验研究。当电子能量为630keV、束流约为6.7kA时,返波管振荡器得到频率为8.0GHz、功率为510MW、脉冲半高宽约15ns的微波输出。     

X波段双频高功率返波振荡器的数值研究

提出了采用两段式同轴波纹慢波结构实现双频高功率微波输出的相对论返波振荡器,推导了该结构的TMOn模式色散方程,数值求解了两段式同轴波纹慢波结构TMOn模色散曲线,分析了该器件X波段双频高功率微波输出的产生机理,分析中考虑了电子注在慢波结构第二段工作效率不变和下降时的双频工作点情况,并运用2.5维全电磁粒子模拟程序验证了双频微波信号的可靠性.     

俄罗斯基于超辐射机理相对论返波管实验研究进展

基于超辐射机理相对论返波管能产生高峰值功率、高峰值转换效率、快速上升前沿的纳秒／亚纳秒微波脉冲，正成为高功率微波源系统小型化的新技术途径．本文介绍了近几年来俄罗斯方面对超辐射返波管器件的实验研究情况，重点报道了Ka波段和X波段超辐射返波管器件的最新进展，并指出发展趋势及存在的一些关键技术问题．     

L波段相对论磁控管的初步试验

相对论磁控管具有高功率、高效率、运行稳定、低磁场、结构紧凑、适于永磁包装等优点,是高功率微波源研究的热点之一。在前期研究中,国防科技大学提出了一个具有全腔提取结构的L波段高效率相对论磁控管,本文介绍了其初步的实验进展。实验结果显示,在二极管电压为491kV、电流为5.5kA及磁场为0.25T的条件下,其输出微波功率为0.82 GW,微波频率为1.49 GHz,功率转换效率为30.4%。实验结果为进一步优化仿真、提高技术性能及推进应用打下了良好的基础。     

相对论返波振荡器的非线性理论

本文建立起分析相对论返波管注波互作用过程的自洽非线性工作方程组,理论模型中计及了正向波基波与电子注的异步互作用效应、电子注的空间电荷效应.运用四阶龙格一库塔法编制了数值求解工作方程组的Fortran程序,对均匀耦合阻抗型器件和耦合阻抗单阶跃变型器件的效率进行了仿真和优化.数值模拟结果表明正向波基波与同步波在慢波结构起始处的相差,正向波基波与电子注的异步互作用效应能显著地影响相对论返波管效率,均匀阻抗器件运行于最佳状态时,效率可达到27%,耦合阻抗单阶跃变型器件最优化效率可达到50%.     

带反射腔的双频相对论返波振荡器的粒子模拟研究

设计了一种带新型非对称反射腔的同轴相对论返波振荡器,实现了X波段的双频稳定输出。利用CHIPIC 2.5维粒子模拟软件进行粒子模拟研究。仿真结果表明,在强流电子束电压为480kV,电流为7.5kA,引导磁场为2.7T的条件下,得到稳定的双频输出,频率分别为8.7GHz,9.4GHz,平均功率800MW,效率22.2%。     

双谐振腔长脉冲相对论返波振荡器研究

延长输出微波脉宽是提高输出平均功率水平的一种重要技术途径.受限于“脉冲缩短”这一国际难题,通常高功率微波源输出微波脉宽较窄.相对论返波振荡器是一种高功率、高效率、可重频运行的高功率微波源,获得了广泛研究和应用.在长脉冲相对论返波振荡器研究方面,现有研究方法很难兼顾长脉冲与高效率.针对上述问题,提出了一种双谐振腔长脉冲相对论返波振荡器的设计方法:采用双谐振腔降低射频场;利用非均匀慢波结构增强束波作用;引入大半径收集极减少电子轰击产生的二次电子的数量.实验结果表明,该器件与现有的长脉冲相对论返波振荡器相比,可以在延长输出微波脉宽的同时提高器件束波作用效率.     

基于热阴极的相对论返波管电子枪设计

近年来热阴极特别是钪系阴极得到充分发展,有望成为高功率微波的电子源。提出一种基于热阴极的新型“面包圈”式电子枪模型,以此电子枪作为相对论返波管的环形电子束发射源。通过仿真软件CST PARTICLE STUDIO对模型进行仿真验证,所得电子枪发射电流为786 A,阴极发射电流密度为30 A/cm2,电子束密度为305 A/cm2,电子通过率为99.9%。最后对热阴极在高功率微波器件中的应用进行了初步探索。     

Theory of resonant relativistic oscillator with nonuniform focusing field

The two-dimensional model of millimeter wave resonant O-type oscillator (as orotron, ledatron, resonant BWO, etc.) with a relativistic electron beam is analyzed. The selfconsistent nonlinear simultaneous equations have been obtained for the arbitrary space distribution of the magnetic guide field. The start generation characteristics are analyzed under small-signal conditions with an analytical solution taken for the case of inclined focusing magnetic field. It is found that the efficiency of electron-wave interaction appreciably depends on the focusing field strength and the relativistic mass factor. The results of numerical optimization of the guide field structure are presented to show possibility of improvement of the start characteristics of the oscillator.     

矩形波导加载光栅结构的太赫兹振荡器

本文采用矩形波导加载光栅的慢波结构作为太赫兹返波管的高频结构,通过理论分析和电磁仿真研究了该慢波结构的色散特性和互作用阻抗,理论分析结果和仿真结果能很好地吻合。在理论分析的基础上,设计了一个中心频率为340GHz的返波管,经粒子模拟软件计算,在较低电流密度的情况下该返波管输出功率达100mW且可调带宽约30GHz。     

Nonstationary theory and simulation of the backward wave peniotron oscillator

The oscillations build-up process from “raising” until reaching steady-state in the backward wave peniotron oscillator (BWPO) are analased in the frame of the nonstationary nonlinear theory. By analytical and numerical calculations it is indicated that single-frequency and multi-frequency oscillations including chaotic ones can be generated by BWOP with high efficiency.     

S-band TRAPATT oscillator with reduced frequency-temperature dependence

The frequency of operation of a free-running trapatt oscillator is dependent on the ambient temperature. A means of compensating for this frequency variation has been studied and results are reported.     

S频段低信息速率卫星通信系统的探索和实验

介绍了目前卫星通信的频段分布并对其进行了对比;对S频段卫星通信给出了链路预算,并进行了卫星移动通信的探索和实验,通过低信息速率的短报文和语音通信设备的研发,对低速率卫星移动通信进行了验证和分析.结果表明,采用全向天线的S频段低信息速率的卫星通信系统完全可以在处理突发事件的应急通信中发挥作用,并具有成本低、终端简单、应用方便、安全可靠等优点.