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。     

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。     

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。     

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.     

同轴型相对论返波管的粒子模拟研究

本文提出和设计了一种Ｘ波段大直径同轴相对论返波管,同时域有限差分法数值计算了器件慢波结构中ＴＭｏｎ模式的色散关系,耦合阻抗,运用粒子模拟程序仿真了器件中波互作用的非线性物理过程,预见了器件输出功率,效率,工作频率,并对器件功率与慢波结构尺寸,电子波束流参数,引导磁场强度之关系进行了优化分析。     

针对锁相的相对论返波管优化设计

为实现基于相对论返波管振荡器的高功率微波相干合成,开展了针对锁相的低磁场返波管优化设计。通过优化中间调制腔的位置,降低工作模式的Q值,达到降低种子微波功率的目的。以外注入微波锁相方式为例,优化后的器件锁定增益大于20 dB,20 MW的注入微波功率即可实现对GW级的微波输出的相位控制。研究结果对调制电子束锁相也具有参考价值。     

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     

X 波段注入锁定相对论返波管设计

为实现X 波段的相干功率合成,提出了一种高功率的注入锁定相对论返波管模型。器件在结构上分为输入腔和 输出慢波结构：输入腔用于减少注入微波的泄漏,同时腔内的驻波电场可以有效调制电子束;输出慢波段实现调制电子 束的换能输出。模拟表明该结构在注入功率6 kW 的条件下,可以实现2.5 GW输出微波的相位控制。     

变阻抗相对论返波管的研究

根据相对论返波管（RBWO）的非线性理论，数值模拟了耦合阻抗单步跃变型RBWO效率与束流参量、耦合阻抗跃变位置、高低耦合阻抗比值的依赖关系，结果表明器件最优化效率可达到50%，设计制造了一个X波段高功率耦合阻抗单步跃变型RBWO，运用全电磁粒子模拟程序仿真了器件中注波互作用过程，预见出器件功率、效率、频率等性能参量，在电子注电流、注加速电压、互作用区长度相同的实验条件下，测得变阻抗器件实验效率约为均匀阻抗型器件效率的2倍。     

变阻抗相对论返波管的研究

根据相对论返波管(RBWO)的非线性理论,数值模拟了耦合阻抗单步跃变型RBWO效率与束流参量、耦合阻抗跃变位置、高低耦合阻抗比值的依赖关系,结果表明器件最优化效率可达到50%.设计制造了一个X波段高功率耦合阻抗单步跃变型RBWO,运用全电磁粒子模拟程序仿真了器件中注波互作用过程,预见出器件功率、效率、频率等性能参量.在电子注电流、注加速电压、互作用区长度相同的实验条件下,测得变阻抗器件实验效率约为均匀阻抗型器件效率的2倍.     

高效率双波段同轴相对论返波管粒子模拟研究

提出了一种能在C 波段和X 波段实现稳定双频输出的带有谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器,并使 用2.5 维全电磁粒子PIC 模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示：在电子束电压510kV,电流9.03kA,引导磁场 0.73 T 的条件下,双频器件实现了8.1GHz 和9.9GHz 的双波段频率稳定输出,平均功率为0.95GW,波束互作用效率为 20.6%, 效率高于空心双波段返波管以及瓷绝缘线双频振荡器。     

0.3T Ku波段返波管的低磁场特性研究

为了实现相对论返波管振荡器（RBWO）永磁包装,本文采用Magic模拟软件在0.5T低磁场相对论返波管（RBWO）器件结构基础上,通过在器件慢波结构末端添加一个部分反射腔,减小电子束质量对束波转换影响,即减小引导磁场的影响,实现了Ku波段相对论返波管振荡器0.3T磁场下运行.当电子束束压600kV、电子束束流7kA时,模拟得到器件输出微波功率740MW,效率18%.尽管该器件的效率低于0.5T磁场下的效率（25%）,然而0.3T引导磁场在工程上更容易实现.结合小型化的脉冲功率源进行实验研究,当二极管束压580kV、束流6.5kA,实验获得功率600MW,频率13.10GHz,脉宽25ns的微波输出,该器件的研制可以促进高功率微波（HPM）系统小型化的发展.     

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%.     

3cm双频高功率返波振荡器的粒子模拟研究

提出3cm双频两段式同轴相对论返波振荡器,用粒子模拟软件对其结构和电磁参数进行分析研究,优化得到的结构参数为第一、二段分别为10和4个周期数,周期长度分别为0.5cm、0.73cm,波纹幅值分别为0.13cm、0.21cm,平均半径2.9cm,同轴间隙为2.1cm。实验结果表明在环形相对论电子注电压为510kV,电流为9.4kA,引导磁场为0.7T的条件下,器件得到了3cm波段稳定的高功率双频微波输出,其平均功率约为0.75GW,平均功率效率为15.6%。     

Dual-Mode Terahertz Extended Interaction Oscillator Driven by a Pseudospark-Sourced Sheet Electron Beam

A terahertz dual-mode extended interaction oscillator (EIO) driven by a pseudospark-sourced sheet electron beam (SEB) was presented. The major advantages of the newly developed circuit include 1) high-density SEB interacting with the TM₁₁ and TM₃₁ modes, respectively, and 2) high output power of over 1 kW at the sub-terahertz frequency range. Two different types of 2π modes and their output characteristics were studied, and the circuit was optimized to ensure efficient outputs of two standing-wave modes. The three-dimensional (3D) particle-in-cell (PIC) simulation predicts the maximum output power of 1.3 kW with the 3-dB bandwidth of ~0.5 GHz at 303 GHz when operating at the TM₁₁ mode, and 3.18 kW with the 3-dB bandwidth of ~0.85 GHz at 364 GHz when operating at the TM₃₁ mode.     

Design of a 5.305 GHz Dielectric Resonator Oscillator with Simulation and Optimization

The design of a 5.305 GHz series feedback free running dielectric resonator oscillator （DRO） is presented. Its simulation and optimization are realized by obtaining the unloaded Q factor of the cavity dielectric resonator （DR） and analyzing the linear and nonlinear models of the DRO. CAD packages of DR_Rez and Agilent Advance Design System （ADS） are used and the best tradeoff among the output power, phase noise, and frequency stability is achieved. With the result of simulation, a physical oscillator prototype is constructed. The measured results show the good agreement with those of simulation.