摘要：为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行,开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器(RKA)的理论模拟设计与实验研究。首先,采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA,找到了器件工作的最佳参数:采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA,获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后,采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证,获得了输出功率992 MW,器件效率为37%。最后,根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA,在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下,获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波,束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下,坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。

摘要：针对高功率微波器件的低磁场小型化发展需求,设计了工作在S波段的低磁场紧凑型相对论磁控管,建立了三维仿真模型。设计衍射输出结构,输出模式为TE_(11)模。在圆波导中TE_(11)模具有最小的截止半径,因此选取TE_(11)模输出比高阶模输出具有更小的波导半径。分析了磁控管的输出性能随磁场、输出波导半径和倾斜角的变化规律。在磁场0.34 T、电压352 kV条件下,模拟仿真结果显示磁控管输出功率达到567 MW,功率转换效率为62.5%,在频率为2.37 GHz时波导半径仅为77.5 mm。

摘要：为满足高功率纳秒脉冲的发射需求,设计了一种适用于高功率微波的超宽带组合天线,对比了将点馈式巴伦和直馈式巴伦应用于高功率超宽带组合天线后天线的驻波曲线和表面电场分布情况,分析了组合天线阻抗与尺寸的关系,利用Klopfenstein阻抗渐变线降低反射,利用可调平板调整天线磁偶极子面积以提升天线低频性能,并通过驻波测试实验加以验证。在此基础上,进行了高功率微波实验,在全底宽3 ns、峰-峰值121 kV、中心频率329 MHz高功率双极脉冲的激励下,可实现功率容量73 MW,有效电压增益1.97。

摘要：多注相对论速调管放大器向工程化和实用化方向发展,需要进一步提高其工作重频和使用寿命.针对高功率多注相对论速调管放大器在输出腔间隙电子束换能后,会出现电子返流轰击输出腔表面,以及输出腔间隙电场过高产生射频击穿导致输出腔表面出现烧蚀的问题,本文分析了强流相对论电子束在器件中的返流过程,在此基础上设计了四间隙扩展互作用提取结构以避免电子返流和降低间隙电场,并提高器件工作寿命.同时针对高工作频段高过模器件中常规水冷却通道会影响输出微波模式的问题,设计了同轴TEM模-扇形TE10模-同轴TEM模-圆波导TM01模的模式变换结构,模式转换效率大于99.9%,避免了收集极水冷却通道对输出微波模式的影响,以提高器件工作重频.在重频45 Hz工作条件下,实验实现X波段长脉冲GW级高功率微波稳定输出,器件累计运行约10000次,输出微波参数无明显下降.

摘要：多注相对论速调管放大器可在较高的工作频段实现GW级功率微波产生,在很多领域得到了发展和应用.多注相对论速调管中强流相对论多注电子束相互之间存在空间电磁场的作用,使得多注电子束从二极管引入多注漂移管,以及在多注漂移管中的传输运动受到影响,导致电子束会轰击到管壁上,早期实验中多注电子束的传输通过率较低.本文对功率数GW的强流相对论多注电子束在二极管与多注漂移管中的运动过程进行了理论分析与粒子仿真模拟,得到强流相对论多注电子束的传输运动规律.对多注二极管的结构进行了优化设计,仿真设计实现强流相对论多注电子束的传输通过率达到99%,并且开展了验证实验研究,实验在电子束电压为801 kV,电流为9.3 kA的情况下,电子束的传输通过率达到92%.

摘要：设计了工作在长脉冲的X波段同轴强流多注相对论速调管放大器,对长脉冲强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的束流调制以及经过输出腔的微波提取等过程进行了实验研究,采用了相应的设计措施以减轻实验中出现的脉冲缩短现象,得到了初步的长脉冲实验结果.在输入微波功率60 k W、频率9.378 GHz、电子束电压700 k V、束流4.2 k A、轴向引导磁感应强度1 T的条件下,重频5Hz输出微波功率为670 MW,脉宽89 ns,效率为23%,增益为40 d B,输出微波频率与输入微波一致.从实验上验证了几十千瓦级输入微波驱动X波段同轴多注RKA输出几百兆瓦长脉冲高功率微波的可行性,为后续更高功率研究打下了基础.

摘要：综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.

摘要：带状注相对论扩展互作用速调管放大器是一种高功率、高频率的微波毫米波放大型器件,具有广阔的应用前景.本文分析了扩展互作用结构多间隙谐振腔的渡越时间效应,推导了2π模场情况下谐振腔的能量交换系数和电子负载电导,且通过计算表明工作在2π模式三间隙腔的电子负载电导是单间隙腔的9倍左右,多间隙结构有利于提高器件效率.利用三维粒子仿真软件,对工作在Ka波段的带状注相对论扩展互作用速调管放大器进行了模拟研究,采用宽高比为30:1的带状电子束以降低空间电荷效应,在电子束电压为500 kV,束流为1 k A,轴向引导磁感应强度为0.8 T的情况下,器件输出微波功率为190 MW,频率为40 GHz,器件效率为38%,器件增益为69 d B.

摘要：微波束能推进是一种新的微波能传输利用方式,使用高强度吸波材料将电磁能转化为热能。针对其热交换器系统构建了简化能量接收模型,对毫米波加热能量转换效率及最高温度进行了初步研究,并设计了三种结构进行模拟仿真,最高效率超过30%,稳定效率在23%左右。使用遗传算法对影响性能的参数进行了优化,结果表明热交换器性能受吸波材料有效损耗因子影响,应保持在一个适中的水平。

摘要：在波束波导和反射面天线的馈源应用中,为了产生低副瓣且方向图等化的高斯波束,需要将高功率微波转换为准高斯模HE11模辐射.本文利用弯曲圆波导可同时从TM01模产生TE11模和TM11模的原理,提出了采用双弯曲过模圆波导结构直接将TM01转换为HE11的模式变换器,避免了常规微波领域中首先将TM01转换为TE11再用波纹式或半径渐变式TE11-HE11转换器转换为准高斯波束功率容量不足或尺寸过长的不足.基于模式耦合理论和Taguchi优化算法对模式变换器的弯曲半径、相移直端长度及引入位置进行了优化,使输出的TE11和TM11成一定比率,以组成HE11模式,并对设计的模式变换器进行了全电磁波仿真分析,结果表明输出波束的标量高斯含量在9.05—9.8GHz范围内均高于99%,理论功率容量可达4.5GW.