2千兆赫空间用线性注入式正交场放大管的分析设计

本文最终报告叙述空间用高效率注入式正交场放大管。它作为同步卫星的输出级,此卫星转播幅调电视信号,功率电平为5千瓦,频率为2千兆赫。设计中强调了最大的总效率和至少有两年的寿命。用不同的Karp慢波丝进行了实验和分析研究。把计算机进行的小信号和大信号分析结果用来求窄(30兆赫)频带应用时最佳的互作用效率。根据大信号互作用研究,利用电子能量分布来研究多级降压收集极。对于输出放大器级,利用一股正交场互作用区,总效率超过80％。为了使器件有更高的效率,本文评述了几种提高效率的措施。相位聚焦和负慢波线预群聚是两种特殊技术,采用这两种技术将导致放大管效率大于85％。     

捷变频磁控管最新的发展动态

1概述微波真空电子器件一个重要管型——磁控管，直到二次世界大战中，英国发明了多腔磁控管装备于雷达系统后，这类微波器件得以迅速发展，成为具有许多型号的大量管种，包括：脉冲磁控管、同轴磁控管、频率捷变磁控管、电压调谐磁控管以及连续波磁控管等。磁控管是正交场器件的一个类型，正交场器件又称“M”型器件，所谓正交场器件是指管内直流磁场方向与电子漂移运动主方向和直流电场的方向相互垂直，由于这种与电子运动方向相垂直的磁场存在，使得正交场管内的电子运动特性发生了很大变化，并出现特有的相位聚集、电子挑选、电子回轰…     

Cusptron振荡器的分析与计算

本文对Cusptron进行了理论研究。首先分析了在cusp磁场中电子的运动。在此基础上研究了电子注与驻波场的互作用。在f_o=35GHz对16个翼片的磁控管型腔中H_(511)π摸与电子注互作用(8次回旋谐波)进行了数值计算。考虑了电子注中速度分布、注厚度以及B_k≠B_o等因素对电电效率的影响。     

旭日型可调谐相对论磁控管的研究与优化设计

理论推导了相对论磁控管中电子与高频场的互作用机理,分析了相对论磁控管阴极发射面高度、工作电压和磁场对其工作效率及调谐带宽的影响,得出进一步提高磁控管效率及调谐带宽的条件。对比了10腔旭日型可调谐相对论磁控管仿真及实验结果,通过仿真手段进一步优化了该磁控管,提高了输出效率、拓展了调谐带宽。研究结果表明,优化后的10腔旭日型可调谐相对论磁控管具有37%的调谐带宽,电子转换效率最高达到17.9%,输出功率在1.1 GW以上。     

同轴内导体盘荷慢波结构注波互作用机理研究

采用理论分析和粒子模拟方法研究同轴内盘荷慢波结构注波互作用的物理机理。采用场匹配理论得到色散方程,通过数值计算得到了准TEM模的色散曲线及不同电子注电压下注波互作用的增长率;采用粒子模拟技术研究了注波互作用的物理过程。结果表明,随着电子注电压的不断增加,器件的工作状态由返波振荡转换到行波振荡;通过对辐射谱特性进行分析表明粒子模拟结果与理论计算结果基本一致。     

非重入式正交场放大器特性的计算

本文推荐了一种非闭合电子注正交场放大器的实际计算方法,这种方法降低了计算的繁复性,同时并未失去放大过程中发生的物理实质。 Epsztein或Gould的小信号理论描述了受空间电荷限制的薄电子注的放大过程。该理论的结论适用于带状电子注扰动还很小的互作用空间初始段,但阻抗小于2000或3000欧的电子注情况例外。当电子注开始很强的群聚     

分布作用速调管大信号计算模型的研究

该文建立了分布作用速调管(EIK)注波互作用模拟的大信号计算模型。该模型基于1维电子圆盘模型,考虑了电子圆盘间的空间电荷力。在电子与高频场互作用计算中采用双间隙耦合腔等效电路方法,并在间隙阻抗矩阵的计算中考虑了耦合腔中每个间隙电子电导的影响。依据该模型编写了计算程序,并与MAGIC3D仿真结果进行了比较验证,结果相符合。该计算模型可以扩展到三间隙乃至更多间隙谐振腔的分布作用速调管注波互作用的大信号计算模拟中。     

折叠波导行波管PIC 模拟中的相位分析方法研究

由于非线性计算特别是场相位方面缺乏专门的分析工具及方法,一直难以对折叠波导行波管的电子效率及副特性进行准确分析。通过CST PARTICLE STUDIO的PIC仿真模块,利用行波管注波互作用中的轴向基波电流与轴向基波电场的相位差表征注波相位关系,提出了一种相位分析方法。通过比较V波段折叠波导行波管单跳变周期结构与均匀周期结构的注波互作用模拟结果,揭示了注波互作用中相位聚焦的物理机理,优化后电子效率提高了5.13%,验证了PIC模拟中相位分析方法的合理性。     

高频启动的正交场放大器空间电荷流的起动条件

用于高功率雷达系统的冷阴极分布发射正交场放大器,由于起动延迟、功率跌落,电路损耗和低效率等因素而导致器件性能变坏。美国陆军电子发展部门对此作了理论分析,解释了使器件性能恶化的原因,其关键在于正交场放大器空间电荷流的全部性能,它可以用二个与时间无关的参数,即阴极平均二次发射系数和电子平均回轰能量加以完整地说明,而这些参数表示了阴极发射能力的特征,并随着器件互作用空间的几何形状、工作条件和阴极材料的改变而变化,为改进正交场放大器的性能,可将理论分析进行程序编制,应用数字计算机作为设计和计算的工具。     

基于CHIPIC软件的旭日型可调谐相对论磁控管的研究

理论推导了相对论磁控管中电子与高频场的互作用机理,采用CST软件研究冷腔状态下磁控管的π模频率,采用CHIPIC软件对磁控管进行三维粒子模拟研究,对比了10腔旭日型可调谐相对论磁控管冷热腔仿真及实验结果,验证了CHIPIC软件模拟此类器件的正确性。研究结果表明,仿真结果与实验数据基本一致,频谱比较纯,输出比较稳定,为以后拓展旭日型可调谐相对论磁控管的调谐带宽奠定了基础。     

冷阴极磁控管中的互作用

前几年,在加利福尼亚大学进行大功率冷阴极磁控管研制过程中(主要由D. H. Sloan及其同事)曾反复出现一个令人注视的结果。人们观察到;在结构形状、阴极材料(二次发射系数)和尺寸完全不同的情况下,若在一个迥旋频率周期内电子行进的距离相当于阴极-阳极间距,那么,起振所需之功率为最小。这种在一般磁控管中早就观察到的现象在此是在无互作用结构下(“光筒”磁控管)观察到。以前早就由(?)和另一些学者暗示过,迴旋波长对阴阳极间距之比在正交场器件中起着重大作用,并当同光壁(或线路)的互作用为最小     

带状注交错双栅行波管的非线性分析

给出了适用于描述带状注行波管中电子注与慢电磁行波非线性互作用的全三维自洽方程组, 包含场的激发方程、 电子运动方程、电子相位演化方程和能量转化方程。将电子注划分为―粒子线‖的形式,结合交错双栅慢波结构中三维线 路场的形态分布,运用自洽方程组,对0.22THz 带状注交错双栅行波管进行了非线性分析。     

微波炉用磁控管离轴磁场的自动测试与仿真优化

采用LabVIEW虚拟平台，实现计算机对CH-1500高斯计及位移台控制箱的控制，研制了一套磁场自动测试系统，该系统可以进行微波炉用磁控管离轴区域（互作用空间）磁场分布的自动测量。利用CST对磁控管磁路系统进行仿真计算，将所得结果与实测数据进行比较，仿真与实际测量结果吻合得很好。在此基础上优化磁极的形状参数，并详细分析了磁极的倾角和磁极间距等参数对互作用空间磁场分布的影响。     

隔模带相对论磁控管的模拟研究

 提出了隔模带相对论磁控管(Strapped RM)的设想并对其提高效率的机制进行了分析和粒子模拟验证.通过对比Strapped RM与传统A6模型发现:隔模带的采用能够显著改变互作用区的场分布以减小强高频场对注波互作用的影响,降低阳极电流以减小阳极表面的电子注能量损耗,从而提高管子效率.粒子模拟得到Strapped RM的效率超过了70%,有效克服了传统RM的低效率缺陷.     

TEM模场的空间不均匀性对场-电子注互作用的影响

电磁波与电子注的互作用不仅与电子注的特性有关,也与波场的极化、空间特性紧密相关。本文就小回旋电子注的情况采用由4个运动常数描述的未扰分布函数,根据动力学理论一般地分析了TEM模场空间不均匀性对互作用的影响,所得结果表明互作用产生的高次谐波依赖于波场空间不均匀性;电子注的位置空间不均性和场的空间不均匀性有可能共同产生一种新的不稳定性,该不稳定性与相对论效应无关。     

螺旋波纹波导回旋行波管非线性理论研究

非线性理论是一种以驻波互作用过程为对象的大信号理论,它能准确地反应电子与波的互作用过程,计算输出功率、效率等其他非线性理论问题。采用非线性理论中的自洽非线性理论和耦舍波理论对螺旋波纹波导回旋行波管进行研究,结和电子运动方程和互作用方程,反映电子运动和场的激励相互演变过程。     

有切断区的注入式正交场放大器大信号理论与计算

在高增益的注入式正交场放大器中,慢波线中的切断区是必不可少的。本文提出了一个关于密度调制电子注经过切断区内的漂移过程及在切断区出口慢波结构上重新感应激励高频场的物理模型,给出了数学推导和理论公式,编制了FORTRAN语言的计算机程序,计算结果相对与实验的误差为7％～20％;一系列计算结果显示了切断区长度、位置及切断区内电子漂移过程对输出功率的影响。本文提出的计算方法和计算机程序,可供此类器件的计算机辅助设计之用。     

环形相对论电子注激励的等离子体介质切伦可夫脉塞

利用自洽线性场理论，考虑电子的三维扰动，分析了环形相对论电子注在填充背景等离子体的介质筒慢波波导产生的切伦可夫辐射，其环形电子注对主波互作用的作用完全要用一跳变条件来描述，导出了其色散方程和波波互作用的同步条件，求得了是子注产生的波增长率，分析了背景等离子体密度和电子注半径对波增长率的影响。     

S波段磁控管阴极预群聚技术机理研究

阴极预群聚技术对磁控管的振荡建立过程具有显著的影响,但其作用机理仍然需要进行深入研究。本文对采用角向均匀分布的圆柱形多发射体阴极进行数值模拟,分析了互作用空间场分布及空间电子的运动规律,揭示了多发射体阴极与实体圆柱体阴极在磁控管的起振过程中存在显著差异。多发射体阴极的静电场角向分量与偏置磁场引入的洛伦兹力增强了初始阴极发射的电子向阳极漂移的能力。多阴极磁控管电子轮辐的外边缘更贴近阳极表面,群聚的电子在角向上具有周期性连续变化的速度分布,使得电子与高频场的能量交互更加充分。引入阴极预群聚技术的五阴极磁控管具有起振时间快、输出功率大、效率高等优点,从空间电场分布规律可知,阴极预群聚技术可降低布里渊半径,减少空间电荷对磁控管输出性能的影响。     

迴旋磁控管工作性能的初步分析

本文从色散方程出发,导出了迴旋磁控管的小信号增益表达式。估算了电子效率。用计算机进行了计算,结果表明,在一定条件下,工作于6次谐波的8mm迴旋磁控管(f0=35GHz)的小信号增益可达2dB/cm,电子效率接近8％。这些结果为设计和改进迴旋磁控管的工作特性提供了一定的理论依据。此外,为了提高效率,还提出了磁控管波导型迴旋佩尼管的设想。