雷禄容[1]2007年在《S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔的理论与实验研究》文中指出相对论速调管放大器(RKA)是GW级的线性束器件，由于RKA中电子束的产生、束波互作用、微波的提取以及电子束的收集这几种功能是在不同区域中完成的，从而可以分别优化各个区域的功能，使得RKA具有高功率、高效率、相位和幅度稳定的优点。本论文对S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔进行了理论分析，并结合粒子模拟开展了相应的实验研究，取得了与理论基本相符的结果。论文内容主要包括以下几个方面：一、研究了双间隙输出腔封闭腔中存在的模式。计算了S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔开放腔的高频特性，分析了双间隙输出腔的谐振频率与腔体半径和耦合孔尺寸的关系，得出谐振频率的一些变化规律。重点研究了耦合孔尺寸对腔体有载Q值的影响。二、采用一维圆盘模型的大信号理论，分析了本文双间隙输出回路的一些规律，推导出两个间隙中的电子效率关系式，然后用图形给出了各个变量与输出回路效率的关系。三、利用三维粒子模拟程序详细研究了束参数和腔体尺寸对调制强流相对论电子束进入双间隙输出腔后的微波提取情况的影响。在束压760kV，束流7kA，基波调制深度80％，引导磁场1.5T的条件下，通过粒子模拟优化得到功率1.48GW、频率2.85GHz的输出微波，其效率28％。另外，对同轴传输线内的输出模式进行了分析。四、根据理论分析和粒子模拟结果设计并加工了S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔，并进行了腔体的冷测和热测实验。热实验中，利用600kV、6.2kA的电子束驱动，采用双间隙提取腔的RKA，得到输出微波功率为1GW的辐射微波，微波频率为2.90GHz，脉冲宽度为22ns，效率为27％，与理论分析和粒子模拟结果较吻合。
崔学芳[2]2000年在《C波段双间隙输出腔的理论分析和实验研究》文中进行了进一步梳理本论文对双间隙输出腔进行了理论分析和实验研究。文中首先采用一维圆盘模型的大信号理论，把全部待求量都看作输出回路第一间隙入口处的相位的函数，分析了具有双间隙输出回路的一般规律，推导出两个间隙中的能量关系式。然后进行编程计算，用曲线的形式形象地给出了各个变量与相位之间的变化关系，并对电场反相的双间隙输出腔作了详细的分析和研究。 接着又提出一种实际的电场反相的双间隙输出腔——分离腔结构。为了进一步了解分离腔中反向π模场的高频特性，我们从麦克斯韦方程组出发，运用电磁场的匹配条件，推导出分离腔的色散关系及场分布表达式。然后通过数值计算，研究了C波段分离腔的本征函数和本征频率，以及π模场的分布特性。同时，还讨论了不同结构参数对分离腔的谐振频率的影响。 最后，我们用2.5维粒子模拟程序——卡拉特（KARAT）程序优化设计这种C波段双间隙输出腔，并通过具体结构参数的调试和冷测，研制出了中心频率为3.74GHz、有载品质因数为7的低Q_L值输出腔。将该双间隙输出腔用于C波段高功率微波振荡器的实验研究中，最终在约3.78GHz的频率上产生了峰值功率大于300MW、底宽大于20ns的高功率微波。
韦莹[3]2014年在《速调管宽带输出回路的设计和研究》文中研究说明在真空微波器件中,速调管是一类非常重要的功率放大器件,速调管具有高功率、高效率、高增益及工作稳定等优点,广泛的应用于雷达系统、微波通信、气象研究、电视广播、微波遥感、空间技术等多个领域。随着微波技术的进步和雷达系统性能的提高,传统结构的速调管带宽较窄,已不能完全满足使用的需要,对更高功率、更宽带宽的速调管的需求越来越迫切,因此提高功率、扩展带宽是速调管的主要的发展方向之一。本文经过两年的研究,研制了一支C波段高功率宽带速调管,在150kW的脉冲功率输出水平上,实现11%的相对带宽。该管应用多电子注技术、分布作用腔技术和滤波器加载输出回路技术实现了宽带输出,本文以该宽带速调管为例,介绍了该管输出腔和滤波器输出电路的设计过程,同时简单介绍了该管输出功率和带宽的实测结果。设计过程包括:首先,通过三维建模软件如Inventor,实现输出腔和滤波器加载输出回路的快速建模,生成可导入电磁分析软件的模型文件。其次,利用HFSS三维电磁分析软件,实现了谐振腔和宽带输出回路的模拟计算,得到谐振腔的谐振频率、场分布和R/Q等重要参数的准确计算结果;模拟输出回路的输出带宽特性。分析计算结果并以此为据完成输出腔和宽带输出回路的设计。再次,参数和数据输入小信号程序和大信号程序AJDISK,得到速调管的增益—带宽特性的计算结果。最后,以设计和模拟结果指导制管,制成整管并测试,将测试结果和设计模拟值进行比较,验证设计的可行性和准确性。
范植开, 刘庆想, 于爱民, 谭杰, 周海京[4]2003年在《C波段三腔渡越时间效应振荡器的理论与实验》文中指出C波段三腔渡越时间效应振荡器是基于三腔谐振腔渡越时间效应的一种新型高功率微波器件。首先对该器件的工作原理进行了简要论述,并对径向绝缘二极管、三腔谐振腔、双间隙输出腔及圆波导斜劈天线等部分进行了详细的理论与实验研究。用解析方法求出了三腔谐振腔的模式及场分布,导出了三腔谐振腔非π模场的渡越时间效应规律。最后给出了实验结果。该器件在C波段产生了半高宽约为15ns,峰值功率超过400MW的辐射微波,束波转换效率为17％。
闫文康[5]2017年在《S波段相对论速调管高效率微波提取技术研究》文中研究表明相对论速调管放大器(Relativistic Klystron Amplifier,RKA)是一种输出功率在吉瓦(GigaWatt,GW)量级的微波器件,其电子束产生、束波互作用、微波提取、电子束收集是在不同区域中完成的,具有高功率、高增益、高效率、幅度和相位稳定的特点,广泛应用于通信、雷达、微波武器等领域,具有极大的军用和民用前景。目前国内设计的RKA的微波提取效率还比较低,为获得较高的输出功率,通常是给阴极提供很大的发射电压和电流,这需要性能更高的加速器。因此,设计出微波提取效率更高的RKA不仅能够提高输出功率,而且有利于减小系统体积和重量。输出腔对于RKA的效率有重要影响。输出腔提取效率的高低,直接影响整管的效率。本论文主要研究了S波段的RKA输出腔,推导了输出腔的电子效率计算式,设计了双间隙输出腔和单间隙输出腔模型,计算了高频特性和粒子模拟。最后设计了二次提取腔,并进行了粒子模拟仿真。本论文的主要研究内容如下:首先分析了输出腔的等效电路模型。以一维电子圆盘模型大信号理论为基础,推导了输出腔束波转换效率关系式,重点分析了单间隙输出腔和双间隙输出腔的电子效率表达式,并分析了多个变量对电子效率的影响。利用常规大功率速调管放大器的设计思路,分析了RKA输出腔主要性能指标及参数选取,包括直流电子束参数、电子束聚焦参量、谐振腔的参数等。研究了双间隙和单间隙输出腔的封闭腔高频特性,分别计算了本征模谐振频率及场分布,之后对封闭腔开了耦合孔,设计出了双间隙输出腔、单间隙输出腔的开放腔,计算了它们谐振频率、场分布、有载Q值(LQ)及特性阻抗R/Q等参数。利用粒子模拟程序,对双间隙输出腔的封闭腔和开放腔分别进行了模拟,观察了一些高频特性及微波提取情况,分析了双间隙提取腔对电子束提取后电子束剩余能量的分布。根据电子束剩余的能量确定了电压值并利用此电压作为重要参量设计了单间隙输出腔,分析了其冷腔及热腔特性。最后设计了一种二次提取腔,并对此结构进行了PIC模拟和优化。模拟结果表明,利用电压和电流分别为900keV、7.5kA的电子束,电流调制深度100%,外加1.2T的轴向引导磁场,模拟得到微波功率3.5GW,其中,初级提取腔输出功率值为2.5GW,次级提取腔输出功率值为1.0GW,总的提取效率约52%。
马玉彬[6]2018年在《X及C波段大功率速调管的仿真模拟研究》文中研究指明速调管是一种发展较为成熟的微波真空器件,利用速度和密度调制原理,将电能转化为微波能量,具有高增益,高效率,高输出功率的特点,在军民两用方面,有着广阔的应用前景。本文对X波段TM_(310)多注速调管和C波段TM_(010)单注速调管进行了理论分析和计算机模拟。结合MAGIC、CST、CHIPIC等软件对整管进行了较为全面的研究。研究内容包括电子注的速度调制原理、密度调制原理、以及群聚现象与理论;感应电流原理,以及小信号的理论空间电荷波;大信号的理论部分,包括点对点模型以及盘对盘模型。本文首先分析了电子枪的主要性能和参数,包括电子注的导流系数和电子枪面压缩比以及阴极发射面密度。本文还对收集极做了阐述,主要包括电子回流产生的原因以及抑制电子回流的办法。在C波段单注速调管仿真过程中,输入电压为42kV,电流为18A,产生导流系数为2.2μP的电子注,并且电子注的层流性好,电子枪的设计符合要求。对X波段的多注速调管进行了收集极部分仿真研究,设计收集极的坡度斜率为0.200,输出腔与收集极部分之间的距离为12mm,仿真结果发现这两种情况下电子回流最低。利用CST对各个谐振腔的谐振频率进行了研究,主要是谐振腔漂移管头之间的间隙、谐振腔半径和谐振腔高度对谐振频率的影响。利用CST对各个谐振腔的品质因数进行了研究,主要是谐振腔漂移管头之间的间隙、谐振腔半径和谐振腔高度对品质因数的影响。利用粒子模拟软件分析了输入高频场的频率对输出功率的影响,以及谐振腔半径对输出功率的影响。本文还分析了磁场对聚焦系统的作用:在只有轴向磁场的情况下,电子注不能良好的聚焦,在满足布里渊函数的情况下,电子注通过率良好,但还会有少量的电子打在管壁上,研究发现电子的角向速度以及空间电荷力对电子注有较大影响。加入径向磁场后,电子注通过率升高,电子注聚焦效果好,速调管的工作性能好。最后,利用CHIPIC独特的建模界面对X波段多注速调管和C波段单注速调管进行三维仿真建模,考虑到尺寸、结构的重要性,采用非均匀网格划分,合理利用计算机内存,采用了分线程并行的数值模拟方法。对整管进行仿真模拟,X波段多注速调管输入频率为9.75GHz,输入功率为23W,得到输出频率为9.75GHz,峰值功率为123.3kW、平均功率为57.44kW的高频放大信号,效率约为34.7%,增益约37.28dB。C波段输入归一化为频率为1,输入功率为32W,得到输出归一化频率为1,峰值功率为300kW、平均功率为150kW的高频放大信号。带宽约50MHz,效率约为39.8%,增益约40dB。
曹亦兵[7]2008年在《低阻无箔渡越辐射振荡器的研究》文中研究指明传统轴向渡越器件大多工作在高阻抗状态,关于低阻抗渡越器件的研究主要集中于径向渡越时间振荡器,并且几乎所有的这些渡越器件都存在栅网结构。高阻抗器件不利于与提供高电功率的低阻抗脉冲功率驱动源相配合,而栅网结构则不利于实现长脉冲和重复频率运行。目前,关于低阻无箔结构的渡越器件国内外尚未见报道,实验研究更是空白。基于此,本文提出了一种新型结构的低阻无箔渡越辐射振荡器,并且从理论和数值分析、粒子模拟及工程设计等方面对新型渡越器件进行了系统研究。论文首先运用小信号理论研究了电子注与任意驻波场的相互作用,得到了表征电子注能量得失的电子注负载电导表达式,得到了电子注加载引起的本征场频率漂移和射频场时间增长率表达式;同时用数值计算的方法研究了L波段新型低阻无箔渡越辐射振荡器的高频特性,得到了同轴漂移段长度改变对腔体本征模场的影响规律;借助小信号理论和数值计算分析了L波段新型低阻无箔渡越辐射振荡器的束波相互作用规律,得到了新型器件的电压工作范围,得到了电子注加载对腔体本征场频率的影响。其次,重点对L波段新型低阻无箔渡越辐射振荡器进行了模拟研究。在输入电子注压600kV、束流36kA、约束磁场0.45T的情况下,在L波段得到了超过5GW的微波功率输出,主频为1.6GHz,束波转换效率为23.1%,功率饱和时间在15ns左右,工作模式为类p模。对S波段、C波段和X波段的低阻无箔渡越辐射振荡器也进行了初步粒子模拟。S波段典型的粒子模拟结果为:在输入束压和束流分别为550kV和27.6kA、约束磁场为0.8T的情况下,在3.175GHz处得到了大约4.0GW的微波功率输出,束波转换效率为26.4%,功率饱和时间约10ns。在几乎相同的输入电压下,C波段和X波段均获得了超过2.0GW的微波功率输出,束波效率在20%左右。最后,对L波段新型低阻无箔渡越辐射振荡器进行了相关工程方面的设计。重点设计了新型低阻无箔渡越辐射振荡器的励磁系统,计算了螺线管产生满足要求的约束磁场所需的电容器数目。螺线管在22.0ms时达到最大电流600A,40ms的时间内线圈升温约0.261K,匝间间隙0.5mm时产生的匝间电动力约为144N。利用工程计算软件设计了支撑杆和模式转换器。选取每排支撑杆数目为5的相距λ/4的两排支撑杆结构,在频率1.5GHz~1.68GHz的范围内,微波能量传输系数超过99%。模式转换器把同轴TEM模转化为TM01模向外围空间辐射,在给定的结构尺寸下,最大增益方向角为27±。
陈永东[8]2013年在《高增益相对论速调管放大器自激振荡机理及抑制技术研究》文中研究说明高功率微波器件受其结构和功率容量的影响,其峰值功率受到限制。要实现更高的辐射功率,目前可行的技术路线是多台高功率微波器件的合成。由于相对论速调管放大器具有高增益、高功率以及相位和频率稳定的特点,因此强流相对论速调管放大器是目前实现该技术路线的优选微波器件之一,但这种器件在高增益条件下很容易产生自激振荡问题,严重影响器件的工作特性。论文基于一个四腔S波段强流高增益相对论速调管放大器进行了自激振荡产生机理及相关抑制技术的理论分析、粒子模拟和实验研究。论文根据单腔振荡和腔间耦合振荡的机理,(1)分析了单腔自激振荡的物理过程,并给出相对论速调管中各谐振腔的渡越角范围；(2)分析了腔间耦合导致自激振荡的物理过程,给出了高次模起振电流与器件结构参数之间的关系,并给出了提高起振电流抑制高次模产生的措施,该措施为：通过调节中间腔之间的漂移管长度(漂移管长度要同自激振荡模式谐振长度失配)、降低中间腔的Q值提高高次模起振电流和在漂移管中加载吸波材料截断高次模的传播途径来抑制自激振荡,从而实现腔间耦合的抑制,(3)通过PIC粒子模拟不仅验证了该措施的有效性,同时在kW注入微波条件下,模拟获得了增益大于60dB,功率3GW的高功率微波输出。关于强流相对论速调管放大器中回流电子问题,该问题主要涉及器件输出腔设计、注入微波功率和电子束等参数的优化,论文从四个方面进行研究：(1)从理论上推导出回流电子所受约束力的表达式,该式很好地解释了电子回流过程中容易发散的现象；(2)研究了回流电子产生的机理,给出了电子的回流与输出腔间隙电压、电子进入输出腔间隙时的初始相位和初始动能的关系；(3)分析了回流电子在末前腔引起自激振荡的回流电流强度和相位条件。(4)模拟分析了注入微波,电子束,器件结构等参数变化对电子回流的影响,给出了抑制回流电流引起的自激振荡的措施,即调节注入微波、腔体结构,电子束等等参数的控制回流电子强度,以及提高末前腔回流电流起振阈值抑制自己振荡,并在模拟中得到了验证。论文结合抑制自激振荡的措施,利用PIC程序完成了S波段3GW高增益强流RKA的模拟设计,在电子回流和腔间耦合自激振荡达到抑制的基础上,当注入微波2.3kW,电子束电压电流分别为1MV,12.5kA条件下模拟获得功率3GW,增益61dB,效率24%的稳定微波输出,同时将电子束参数900kW,8kA,1.3kW注入下获得2.05GW,效率28.5%,增益的RKA器件在LTD加速器平台开展了微波器件实验,(1)实验上验证了自激振荡抑制措施的有效性,(2)在注入微波功率为10kW级,电子束参数为900kV,7.8kA条件下,实验上获得GW级高功率微波输出,微波脉冲宽度为103ns,效率为26.5%,增益达到52dB。
陈新桥[9]2002年在《高次模多注速调管电动力学系统的研究》文中研究表明为了克服基模多注速调管在高工作频率下输出功率的限制，本文展开了高次模多注速调管电动力学系统的研究，研究工作包括高次模谐振腔和高次工作模式的选择，高次模双间隙输出腔的结构，以及高次模谐振腔与波导耦合三个方面的理论和实验研究。以矩形腔、圆柱腔和同轴腔为研究对象，以Isfield3D三维电磁场计算软件为工具，对这三种高次模谐振腔进行理论分析和计算，给出这三种腔体中适宜选择的高次工作模式，给出工作模的场分布和特性阻抗值，总结出各种高次模谐振腔以及各种高次工作模式的优缺点，加工出TM220高次模矩形腔、TM310高次模圆柱腔和TM010同轴腔三种谐振腔模型，进行冷测试验，实验结果与分析相符。以TM120矩形腔为例，设计出一种C波段模矩形双间隙腔模型，对模型进行计算机模拟，给出工作模式的电磁场分布和特性阻抗值，分析了非工作模式，提出了加吸收腔抑制振荡的方法，根据设计加工出模型，对模型进行冷测实验，实验结果与计算相符。以模矩形双间隙腔模型为研究对象，提出在模型的窄边开耦合口，改进的在窄边开耦合口，在宽边开耦合口，三种波导加载谐振腔的方案。分析了这三种方案中耦合口对工作模式的场分布、特性阻抗、Qext值以及场不均匀性的影响。对模矩形双间隙腔进行窄边开耦合口冷测实验，结果与分析相符。
何琥[10]2003年在《X波段渡越辐射振荡器的理论和实验研究》文中认为本文研究了电子束在任意驻波场中的渡越辐射，并结合课题的需要探索了基于渡越辐射在X波段产生高功率微波的可行性。 文章的主要内容包括五个部分： 一、从无限小间隙调速和群聚出发，研究了电子束与任意驻波场互作用，给出了电子束与任意驻波场互作用功率表达式，并研究了两个特例：N腔等幅π模驻波场和N腔正弦π模驻波场。导出了N腔等幅万模驻波场F_N(θ)的解析表达式，计算了电子束在一至七腔中与驻波场能量交换的曲线。 二、给出了X波段谐振腔模型，并从周期系统的弗洛奎定理(Floquet's theorem)出发，研究了谐振腔中可能存在的模式，并用MAGIC程序计算了三腔、四腔、五腔的谐振频率和场分布。研究了二维柱坐标系网格划分算法，并用此算法对五腔开放腔进行网格划分，采用时域有限差分与快速傅里叶变换相结合的方法计算了五腔开放腔π/6、2π/6、3π/6、4π/6、5π/6模这五个模式的频率和场分布。 三、用小信号理论研究了电子束与X波段三腔、四腔、和五腔中各模式的互作用。研究结果表明：在三腔中只有2π/4模与电子束有负能量交换(即电子束将能量交给电场)，π/4模和3π/4模与电子束有正能量交换(即电子束从电场中得到能量)；在四腔中2π/5、3π/5模与电子束有负能量交换，π/5模和4π/5模与电子束有正能量交换，但3π/5模与电子束负能量交换远高于2π/5模；在五腔中π/6、4π/6模与电子束有负能量交换，2π/6模和3π/6模与电子束有正能量交换，但4π/6模与电子束负能量交换远高于π/6模。采用粒子模拟的方法分别研究了电子束与三腔、四腔、五腔的互作用，研究结果表明：三腔中2π/4模、四腔中3π/5模、五腔中4π/6模是工作模式。理论分析结果与模拟结果一致。用小信号理论研究了电子束与五腔开放腔五个模式的互作用。小信号理论分析得出只有3π/6模与电子束与电子束有负能量交换，其它四个模式电子束有正能量交换。3π/6模是五腔渡越辐射振荡器的工作模式。理论分析结果与模拟结果、实验一致。 四、建立二维粒子模拟的物理模型：用宏粒子代替电子束，用时域有限差分法联立求解麦克斯韦方程和运动方程，用PIC方法计算麦克斯韦方程中的电流密度和电荷密度，可以计算出任意时刻工作区域中任意一点的电场和磁场以及电荷密度和电流密度。根据从基于四腔渡越时间效应的自调制出发，经过一段飘移，然后再采用双间隙提取腔边耦合输出高功率微波的思路，采用粒子模拟方法优化设计出一种峰值功率为1.5GW，频率为9.3GHz的六腔渡越辐射振荡器，并研究了它的一系列工作特性。对粒子模拟的输出微波功率的作出诊断，找到读取微波功率快速有效的方法：在电场和磁场同相的前提条件下，对时域波形进行傅立叶变换，微波功率频域的二倍频所对应的幅度即为微波X波段渡越辐射振荡器的理论和实验研究平均功率的大小。计算X波段六腔开放腔前四个模式的场分布;根据第二章公式分别计算X波段六腔开放腔前四个模式的电子负载电导并总结了这四种工作模式渡越效应的规律，基于这种小信号理论分析了X波段渡越辐射振荡器，得到了工作模式及可能产生的模式竞争。对无箔二极管的进行了粒子模拟，计算了二极管的伏安特性。对同轴输出中导电支撑杆进行了改进，一对四个支撑杆比一对三个支撑杆的功率传输系数大了20%以上。 五、根据理论和粒子模拟的结果设计实验方案，进行X波段渡越辐射振荡器热测实验。输出微波功率1.SGW，微波频率9.18GHz，脉冲宽度26ns，效率达31%。
参考文献：
[1]. S波段相对论速调管放大器双间隙输出腔的理论与实验研究[D]. 雷禄容. 中国工程物理研究院. 2007
[2]. C波段双间隙输出腔的理论分析和实验研究[D]. 崔学芳. 中国工程物理研究院北京研究生部. 2000
[3]. 速调管宽带输出回路的设计和研究[D]. 韦莹. 电子科技大学. 2014
[4]. C波段三腔渡越时间效应振荡器的理论与实验[J]. 范植开, 刘庆想, 于爱民, 谭杰, 周海京. 中国科学G辑:物理学、力学、天文学. 2003
[5]. S波段相对论速调管高效率微波提取技术研究[D]. 闫文康. 电子科技大学. 2017
[6]. X及C波段大功率速调管的仿真模拟研究[D]. 马玉彬. 电子科技大学. 2018
[7]. 低阻无箔渡越辐射振荡器的研究[D]. 曹亦兵. 国防科学技术大学. 2008
[8]. 高增益相对论速调管放大器自激振荡机理及抑制技术研究[D]. 陈永东. 中国工程物理研究院. 2013
[9]. 高次模多注速调管电动力学系统的研究[D]. 陈新桥. 中国科学院研究生院（电子学研究所）. 2002
[10]. X波段渡越辐射振荡器的理论和实验研究[D]. 何琥. 中国工程物理研究院北京研究生部. 2003
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