S波段宽带大功率连续波耦合腔行波管3维模拟设计

使用3维PIC粒子模拟软件定量分析了耦合腔行波管的大信号注波互作用行为。使用完整的仿真模型完成了S波段连续波管型的设计,达到如下设计指标：工作频率2.0~2.3 GHz,输出功率4.3 kW,频带内增益波动±0.7 dB。提出了使用大介电常数微扰介质棒减小耦合阻抗计算误差的方法,研究了行波管的冷腔特性,给出了色散、耦合阻抗等参数。     

S波段宽带大功率连续波耦合腔行波管3维模拟设计

 使用3维PIC粒子模拟软件定量分析了耦合腔行波管的大信号注波互作用行为。使用完整的仿真模型完成了S波段连续波管型的设计,达到如下设计指标：工作频率2.0~2.3 GHz,输出功率4.3 kW,频带内增益波动±0.7 dB。提出了使用大介电常数微扰介质棒减小耦合阻抗计算误差的方法,研究了行波管的冷腔特性,给出了色散、耦合阻抗等参数。     

X波段相对论大功率速调管放大器的高频结构模拟研究

采用MAGIC 2.5D模拟软件,建立了X波段11.424 GHz相对论大功率速调管放大器的高频结构模型。该模型由5个简单药盒型谐振腔组成,包括1个输入腔、3个中间腔和1个输出腔。研究了该模型的高频特性,初步设计漂移管及各谐振腔结构参数,再结合热腔模拟,研究了输入腔的吸收匹配问题,依据各腔体对基波电流逐级调制情况,优化配合各腔体的间隙等结构参数,从而获得电子束的最佳调制状态,最后通过调节外加均匀磁场大小获得百MW功率输出,结果表明：在加速电压520 kV、束电流460 A、外加磁场0.4 T的条件下,当注入信号功率为1 kW时,基波电流调制深度达162%,最终输出功率105 MW,效率43.5%,增益50 dB。     

X波段相对论大功率速调管放大器的高频结构模拟研究

采用MAGIC 2.5D模拟软件,建立了X波段11.424GHz相对论大功率速调管放大器的高频结构模型。该模型由5个简单药盒型谐振腔组成,包括1个输入腔、3个中间腔和1个输出腔。研究了该模型的高频特性,初步设计漂移管及各谐振腔结构参数,再结合热腔模拟,研究了输入腔的吸收匹配问题,依据各腔体对基波电流逐级调制情况,优化配合各腔体的间隙等结构参数,从而获得电子束的最佳调制状态,最后通过调节外加均匀磁场大小获得百MW功率输出,结果表明:在加速电压520kV、束电流460A、外加磁场0.4T的条件下,当注入信号功率为1kW时,基波电流调制深度达162%,最终输出功率105MW,效率43.5%,增益50dB。     

X波段类周期加载微波腔的粒子模拟和优化设计

返波管器件在x波段高功率微波研究具有代表性，在返波管中返波辐射随着离阴极距离的减小而增加，使该器件不利于在高功率下工作；为了克服这种问题，采用类周期加微波腔，通讨结构优化，使电子束同前向波作用，在微波腔中微波场主要集中在输出端，利于器件在高功率下工作。近期研究工作将类周期加载微波腔设计工作在X波段，模拟微波输出功率为1．67GW，束波转换效率达到36％；同时用从俄罗斯引进了SNUS-700加速器驱动的初步实验，     

S波段宽带大功率耦合腔行波管冷测实验研究

介绍了一只S波段宽带大功率耦合腔行波管的冷测实验进展.测量了该管的色散特性、同步电压、耦合阻抗等高频特性参数,测量结果与模拟值相一致.     

L波段相对论速调管的3维粒子模拟

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为：电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600 MW,效率约25%。     

L波段相对论速调管的3维粒子模拟

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为:电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600MW,效率约25%。     

X波段耦合腔行波管周期永磁聚焦系统

通过对不同耦合腔结构中电子注传输特性的研究,设计了长周期永磁聚焦系统,解决了影响电子注传输的横向磁场,开口磁环和磁场过渡区等问题,运用3维程序对X波段耦合腔行波管电子光学系统进行模拟计算,电子注通过率达到100%,波动9%,与耦合腔行波管实验要求一致。     

X波段耦合腔行波管周期永磁聚焦系统

通过对不同耦合腔结构中电子注传输特性的研究,设计了长周期永磁聚焦系统,解决了影响电子注传输的横向磁场,开口磁环和磁场过渡区等问题,运用3维程序对X波段耦合腔行波管电子光学系统进行模拟计算,电子注通过率达到100%,波动9%,与耦合腔行波管实验要求一致。     

8mm基波回旋行波管放大器的设计

对8 mm基波回旋行波管放大器进行了研究。通过稳定性分析,选定了放大器的工作参数。利用PIC粒子模拟程序对放大器中的电子注-波互作用过程进行了详细的分析和讨论,获得了回旋行波管稳定工作的物理图像,完成了8 mm基波回旋行波管放大器高频系统的初步设计。模拟结果表明,在优化设计条件下,放大器可以获得大于450 kW的输出功率5、0 dB增益、22.5%的效率和大约5%的3 dB带宽。     

0.22 THz高效率行波管的互作用计算

利用CST Microwave Studio 计算双排矩形梳状慢波结构的色散并据此确定了0.22 THz左右频段（D波段）行波管用慢波结构的尺寸参数。将相速再同步技术应用于基于双排矩形梳状慢波结构的D波段行波管中,用CST PIC模拟计算了4例具有不同周期构型的D波段行波管。结果证实：对于无集中衰减器的D波段行波管,在218~232 GHz范围内,相速再同步技术使得输出功率从10~13 W提高到19~28 W,电子效率从1.4%~2.2%提高到2.6%~3.9%;对于具有集中衰减器D波段行波管,在218~232 GHz范围内,相速再同步技术使得输出功率从8~16.8 W提高到32~41 W,电子效率从1.5%~2.8%提高到4.4%~5.7%。此外,无论行波管有无集中衰减器,相速再同步技术都明显改善了行波管的增益平坦度。     

有限电导率模块在THz折叠波导行波管模拟中的验证和确认

采用与同类商业软件比对的方法,在THz折叠波导行波管算例中对自编NEPTUNE3D程序的有限电导率模块进行有效验证和确认,包括冷腔损耗与计及损耗的热腔增益。比对结果表明:冷腔损耗计算相对误差在3%~4%左右,计及损耗的热腔最佳增益相对误差及最佳工作电压漂移相对误差均在2%左右。通过不同软件、冷腔损耗与热腔增益的比对,验证了有限电导率模块正确性和可靠性。此外,还对加工因素导致结构参数变化对冷腔损耗特性影响,做了规律性讨论。     

有限电导率模块在THz折叠波导行波管模拟中的验证和确认

采用与同类商业软件比对的方法,在THz折叠波导行波管算例中对自编NEPTUNE3D程序的有限电导率模块进行有效验证和确认,包括冷腔损耗与计及损耗的热腔增益。比对结果表明：冷腔损耗计算相对误差在3%～4%左右,计及损耗的热腔最佳增益相对误差及最佳工作电压漂移相对误差均在2%左右。通过不同软件、冷腔损耗与热腔增益的比对,验证了有限电导率模块正确性和可靠性。此外,还对加工因素导致结构参数变化对冷腔损耗特性影响,做了规律性讨论。     

充空气的同轴慢波结构高功率微波器件粒子模拟

 粒子模拟了电子碰撞空气产生的等离子体对同轴慢波结构高功率微波器件的影响,并且在充空气条件下对器件结构参数进行了进一步优化。模拟表明,气压越高,产生的二极管电流越大,二极管电压越低,频率越低。等离子体离子对电子束的空间电荷中和及等离子体电子对微波的能量吸收共同影响输出微波功率的大小。在一定的气压范围内,提高气压能够提高输出功率,此时等离子体离子对电子束的空间电荷中和起主导作用。气压高于一定值时,所产生的等离子体电子强烈吸收微波,输出功率迅速下降,甚至引起脉冲缩短。此外,由于等离子体的存在,器件最佳相互作用区长度以及最优端面反射系数均有可能发生改变。最后还对慢波结构周期数以及漂移段长度等进行了研究,优化的器件内、外导体周期数为11和8.5,慢波结构前端以及内外慢波结构末端分别接4, 17和2 mm的漂移段,在气压4 Pa下获得了1.64 GW的输出功率,效率39%。     

铁电阴极相对论行波管初步研究

研究了铁电材料的电子发射特性,根据实验和数值模拟结果给出了铁电发射特性的定性解释,并指出目前的几种铁电发射理论都不足以完备地解释各种实验现象。设计了Pierce型铁电阴极电子枪,实现了束流的二级压缩,其总束流大于100 A。在此基础上,分析和设计了具有盘荷波导慢波结构的相对论行波管,得到了带宽500 MHz,增益约25 dB的X波段行波放大输出。     

Q波段回旋行波管新型盒型输出窗的设计

利用等效电路理论,初步设计了窗片厚度为1.32 mm的回旋行波管盒型输出窗,再加入感性膜片,更改窗片形状,最终设计出了能承受25 kW平均功率、相对带宽达到14%、窗片厚度达到1.7 mm的Q波段新型宽频带回旋行波管盒型输出窗;采用高频软件HFSS与有限元分析软件ANSYS协同仿真的新方法对回旋行波管盒型窗进行热特性研究表明,盒型窗理论上功率容量达到62 kW平均功率,说明输出窗窗片承受25 kW平均功率的可行性,窗片中心与边缘的温差为66 ℃,没有达到陶瓷窗片的临界温差158 ℃,验证了新型盒型窗设计的合理性。     

Q波段回旋行波管新型盒型输出窗的设计

利用等效电路理论,初步设计了窗片厚度为1.32mm的回旋行波管盒型输出窗,再加入感性膜片,更改窗片形状,最终设计出了能承受25kW平均功率、相对带宽达到14%、窗片厚度达到1.7mm的Q波段新型宽频带回旋行波管盒型输出窗;采用高频软件HFSS与有限元分析软件ANSYS协同仿真的新方法对回旋行波管盒型窗进行热特性研究表明,盒型窗理论上功率容量达到62kW平均功率,说明输出窗窗片承受25kW平均功率的可行性,窗片中心与边缘的温差为66℃,没有达到陶瓷窗片的临界温差158℃,验证了新型盒型窗设计的合理性。