X 波段高功率带状注速调管电子枪的研制

介绍了为新型高功率速调管研制的能产生矩形截面束流的带状注电子枪,其设计工作电压300kV,工作电流330A,导流系数约2.0μp,矩形柱面阴极100mm×40mm,经一维压缩形成的束流截面尺寸为100mm×8mm,电子注的层流性较好。按照设计值制成了带状注电子枪密封管并对其性能进行了测试,初步的实验结果表明电子枪的电性能指标达到了设计要求。     

W波段带状注电子枪的仿真研究

随着电真空器件向更高频段的发展,传统电真空器件的发展受到了限制,而带状电子注器件相对于传统的电真空器件有很多优点,有很好的发展前景,对该种器件来说重要的一点就是如何产生带状电子注.本文对传统的轴对称收敛型皮尔斯电子枪进行变形,设计了一种用于W波段的带状注电子枪,进行了理论分析,推导出计算公式,然后用3D电磁仿真软件CST进行了仿真计算,并对电子枪结构进行调整优化,得到了符合预期要求的高质量电子注.     

X 波段带状电子注速调管电子枪组件热分析

使用ANSYS 仿真和热膨胀实验的方法进行了X 波段带状电子注速调管电子枪组件热分析,计算了电子枪组件的热分布和热形变,在动态实验台上完成聚束极阴极组件的热膨胀实验,将仿真和实验相验证得到了满足工程设计要求的重要热力学数据,为X 波段带状电子注速调管电子枪结构的精确设计、优化和实际制管提供了依据。     

毫米波带状注电子枪的设计方法

利用理论分析和仿真模拟相结合的方法对带状电子注的产生进行了系统的研究,并提出了一种带状注电子枪的设计方法.首先通过理论分析,提出了一种计算带状注电子枪结构参数的迭代算法,即根据注电压、注电流、电子注注腰处半厚度、阴极半厚度和阴极宽度,计算出带状注电子枪的阴极柱面半径、阴阳极间距、阳极柱面半径和射程等主要参数;在此基础上,通过仿真模拟,为毫米波真空电子器件设计了一种带状注电子枪.     

S波段多注速调管电子枪设计

介绍了一种应用于S波段同轴腔高功率多注速调管的电子枪设计方案。该电子枪总电子注数目为40个(内层19个,外层21个),工作电压为60 kV,总电流为300 A(平均分配在40个电子注上),单注导流系数为0.51μP,总导流系数为20.4μP,设计的阴极电流发射密度小于12 A/cm²,电子枪内最大场强为16.6 kV/mm。为使系统小型化,采用周期反转永磁聚焦系统约束电子注,聚焦系统由四组磁钢形成三个磁场均匀区,三个均匀区的磁场逐级增大,最小磁场强度为0.11 T,最大磁场强度为0.12 T。采用三维计算软件对电子注静电轨迹、磁场分布及聚焦轨迹进行了计算和优化,设计的多注电子枪电子注通过率达到了100%。     

W 波段带状注速调管注波互作用系统的研究

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。本文基于PIC 粒子模拟软件,建立了专门用于计算带状注速调管注波互作用过程的三维设计平台,并应用该平台完成了W 波段带状注速调管注波互作用系统的初步设计,获得了清晰的物理图像和具有参考意义的模拟设计结果。模拟结果表明,在电子注电压为140 kV,电流为15 A 时,该速调管可以获得大于573 kW 的输出功率、27.8 dB 的增益和大于27.3%的效率。     

W波段带状注速调管电子光学系统的研究进展

带状注速调管以其在毫米波段可获得高功率和高增益输出,以及小型化、紧凑型、平面微加工成形等的技术优势而备受国际前沿领域广泛关注。本文重点给出了正在开展的W波段带状注速调管的研究工作,通过采用均匀场聚焦的带状电子注的方式,研制出了椭圆截面带状电子注成形与传输的束流样管。通过实验测试获得的电子枪压缩和成形的带状电子注截面为10 mm×0.7 mm,且在电子注电压为20~82 kV,电流0.5~4.27 A时,长度为100 mm的漂移通道内电子注传输的直流通过率达到98%以上,从而验证了采用均匀场传输带状注的方案是完全可行的。     

W 波段带状注速调管注波互作用系统的研究

建立了带状注速调管的二维窄带宏粒子模型,自主开发出了二维非线性注波互作用程序SBK2D,对具有八个多间隙腔体的W波段带状注速调管注波互作用进行了初步分析,获得了输出峰值功率53kW、效率20%、增益38dB的结果.将计算结果与三维PIC软件仿真设计结果进行了比较,验证了SBK2D程序的有效性。     

W波段带状注扩展互作用速调管注波互作用系统

对W波段带状注五间隙耦合腔的高频结构进行了设计与分析,以一个五间隙耦合腔作为输入腔,一个五间隙耦合腔作为输出腔,构成了W波段SBEIK的注波互作用系统,利用CST粒子工作室对整个注波互作用系统进行了三维计算模拟,并用Magic 3D对注波互作用计算进行了验证,结果表明两种PIC软件的计算结果基本一致.该SBEIK在电子注电压为75 k V、电流为4 A条件下,仅用两个腔体在W波段实现了高于24 d B的增益,为下一步高增益、高效率、小型化、紧凑型SBEIK的设计奠定了坚实的基础.     

W 波段带状注速调管准光输出结构的研究

研究了一种新型的带状注速调管多间隙输出结构——准光输出腔。通过电场均匀性,双端口腔外Q 值的计 算以及参数敏感性几个方面的研究,分析了其设计和性能。结果表明,相对于传统的多间隙输出结构,准光输出腔电 场均匀性更好、设计更为灵活,并且电性能对耦合孔尺寸的敏感性更低,这使得准光输出腔在面对工程中产生的误差 时性能更为稳定。对具体设计的W 波段五间隙准光输出腔,采用三维MAGIC 模拟检验了其功率提取能力、效率以 及带宽,结果显示：可以获得40kW 的功率输出,相应于14%的互作用效率,3dB 带宽达到150MHz。研究表明,准 光输出腔非常适合作为带状注速调管（一种窄带高功率放大器）的输出电路。     

G 波段带状注速调管电子光学系统的初步设计

设计了G 波段带状注速调管电子光学系统,主要工作参数为：电子注电压16.5kV,电流0.58A。电子注通道截 面3.272mmx0.274mm,通道长度20mm。阴极面是曲率半径为5mm 的矩形柱面,尺寸为2.5mm×1.2mm,电子注在单一 方向上压缩,电子注束腰截面尺寸2.5mm×0.12mm,电子枪压缩比10:1。采用均匀场聚焦方式,模拟了三种磁场强度下 的电子注成形和传输过程。模拟结果显示,电子注传输的Diocotron 不稳定现象在强磁场下得到改善;磁场强度为8700Gs 时的传输通过率为100%。     

X波段带状注速调管的设计及实验研究

本文简要地报道了中国科学院电子学研究所对X波段带状注速调管所做的研究工作,其目的是对这种新方案进行原理性的验证。这项研究包括两个阶段,在第一个阶段中,成功建造并测试了使用闭合周期磁聚焦方案的带状注电子光学束管,在第二个阶段中,完成了高频互作用结构的设计并制造了完整的X波段带状注速调管。实验中,在125 kV附近观察到了器件的放大特性。在输入功率0.71 kW,工作频率11.69 GHz时,带状注速调管输出功率达到了2.8 MW,3 dB带宽30 MHz,增益35.96 dB,效率32.52%,束流通过率73.3%。在工作电压135 kV时,可以观察到大于93%的束流通过率,然而,此时管内出现振荡。这项研究表明带状注速调管有望在高功率的场合中获得应用,同时,寻求抑制振荡的方法仍然是未来研究中的艰巨任务。     

W波段带状注速调管电子光学及注波互作用系统的研究

通过冷流模型理论对均匀场聚焦带状电子注的传输进行了研究,结果表明,通过增强聚焦磁场并提高电子注填充高度因子,可以有效降低Diocotron不稳定性并实现长距离的稳定传输.结合理论研究,对均匀场聚焦带状注电子光学系统进行了三维仿真设计与优化,利用自主开发的二维非线性注波互作用程序SBK2D,对W波段带状注速调管进行了初步分析,结果为输出峰值功率69 kW、效率24%、增益37dB、3dB带宽100 MHz.研制出的具有高机械对准精度的带状注速调管电子束管,带状注截面10 mm×0.5 mm,且在电子注电压20～82 kV,电流0.50～4.27A,长度100 mm的漂移通道内电子注传输直流通过率达到98%以上,高于之前在90 mm漂移通道内获得的95%的实验结果.     

带状注速调管谐振腔的模拟研究

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。本文对带状注速调管的谐振腔进行研究,通过三维电磁模拟软件分别对单间隙和多间隙谐振腔的频率特性进行了计算,并对其进行了分析和讨论。     

W波段带状注速调管多间隙腔高频结构及其特性

通过对W波段带状注速调管的哑铃型谐振腔特性进行分析,利用三维高频仿真设计软件CST-MSW建立了单间隙、三间隙、五间隙腔的物理模型,详细分析了不同结构尺寸对于高频系统相关冷参数的影响,优化得到了相应的高频结构及其特性参数,以此作为开发的二维注波互作用程序SBK.2D快速计算的高频输入参数.同时,为了结合注波互作用系统的热参数三维仿真设计,采用MAGIC-3D对多间隙腔的高频特性及参数进行了仿真计算,得到的结果与CST冷参数设计基本一致,为W波段带状注速调管注波互作用系统的设计提供了重要参数和依据.     

W波段连续波带状注扩展互作用速调管高频电路的设计

针对W波段速调管难以实现连续波高功率的问题,设计了一个工作在TM₃₁-2π模式的W波段连续波带状注扩展相互作用速调管（EIK）高频电路,该电路采用电压20 kV、电流0.65 A,2.5 mm×0.3 mm的带状电子注,高频系统采用五个哑铃型的五间隙谐振腔,输出系统采用对称输出波导。通过理论设计和高频结构参数优化,三维PIC仿真结果显示：在输入功率0.2 W的条件下,能够获得超过1200 W的输出功率,效率和增益分别为9.35%和37.8 dB。在高频参数敏感性和误差稳定性方面,对TM₃₁模式和TM₁₁模式进行了详细的对比分析。     

高密度连续带状注电子枪仿真研究

传统的电真空辐射源向太赫兹频段发展进程中电子光学系统遇到诸多困难,而带状电子光学系统能够有效解决部分困难。文中采用粒子模拟软件分析了不同阴极面和聚焦极结构对形成带状注的影响,通过仿真计算,对所需要的双阳极带状电子光学系统进行了设计,分析了电子枪的聚焦极结构尺寸对电子注的形状及其性能参量的影响,最终在0.5T均匀磁场,工作电压为15kV,发射密度10A/cm2的情况下,获得带状电子注电流密度为50A/cm2,宽高比为11∶1,并且在20mm电子通道内脉动较小,流通率达到100%。     

带状注速调管多间隙输出腔的粒子模拟

带状注器件在高频率、高功率方向发展潜力巨大,而多间隙腔是提高效率和功率容量的有效手段。本文提出了一 种带状注速调管多间隙输出腔,并设计了一种Ka波段带状注速调管输出腔。此输出腔结构可以获得好的输出耦合特性, 以及理想的电场场形。最后通过MAGIC粒子模拟软件对电子注群聚,能量转换以及输出腔频谱特性等作了仿真和详细分 析,在中心频率获得了稳定的功率输出,互作用效率达到50%以上。     

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.