W波段带状注速调管电子光学系统的研究进展

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W波段扩展互作用速调管的研究

•理论与设计•W波段扩展互作用速调管的研究钟勇，李冬凤，王加松!韦莹（北京真空电子技术研究所，北京100015"摘要：扩展互作用速调管是在大功率速调管的基础上，采用扩展互作用谐振腔技术，扩展其瞬时工作带宽，在毫米波频段能够实现高功率、高效率、高增益和宽频带的一种紧凑型微波真空器件％本文基于空间电荷波理论对多间隙谐振腔电路进行了简要分析，采用PIC三维粒子模拟软件对高频互作用电路进行了粒子模拟与优化。

在27模式工作下，其工作电压为15 :V,电流为0.8A,中心频率为94.5GHz时，得到了效率大于&4%,峰值功率超过2:W的微波功率输出#—3dB带宽为1 GHz,增益超过40dB%该工作对研发高性能扩展互作用速调管，并推动其在在国防安全、卫星监测、外层空间小目标跟踪、高分辨率雷达和精确气象监测等领域应用具有重要意义％关键词：扩展互作用速调管；效率;增益；带宽中图分类号：TN122文献标志码:A文章编号：1002-8935（2021）02-0060-03doi：10.16540/11-2485/tn.2021.02.12Research on W-Band Extended Interaction KlystronsZHONG Yong,LI Dong-feng,WANG Jia-song,WEI Ying(.Beijing Vacuum Electronics Research Institute,Beijing100015,China"Abstract:Extended interaction klystron(EIK)is a compact microwave vacuum device based on high-power klystron.It uses extended interaction cavity technology to expand instantaneous bandwidth,and can achieve high power,high efficiency,high gain and broad bandwidth in millimeter wave band.Based on the space charge wave theory,the multi gap resonator circuit is analyzed briefly.The high-frequency interaction circuit is simulated and optimized by using three-dimension particle-in-cell simulation software.The PIC simulation shows that under the operating central frequency of94.5GHz,beam voltage of15kV and beam current of0.8A,the peak microwave output power is more than2kW with an efficiency more than 8.4%,a gain more than40dB and a bandwidth more than1GHz in2兀mode.This work is important to the research and development of high performance EIK amplifier and promotes its application in national defense and security,satellite monitoring,small target tracking in outer space,high-resolution radar and accurate weather monitoring.Keywords：Extended interaction klystron,Efficiency,Gain,Bandwidth扩展互作用器件是20世纪六七十年代发展起来的一种真空电子器件,由于其能够米波？米波段提供大功率输岀，目前,已、气候、深空拓扑成中得到了广泛的应用（1一5）%互作用管（EIK）结合管技术和行波管技术,所高频率条件下可E 高增益、宽频带、高功率和高可靠性％EIK用多间隙耦合腔来代替普管中的振腔,不仅增加了速调管的增益带宽积,而且,由于采用多个可以大大增加腔体的内，使管子在高频工作具大的功率容量％使腔的每上的电场强度大大降低,减少了高击穿的可能,有利于峰值功率的提高％我们已W波段,工作在7模的条件下,实现了EIK 值功1kW—3dB带宽超过1GHz的功岀％本文对一种W波段EIK的电子光学系统和2021-02高频互作用电路进行了优化设计，采用了具有更高功率和带宽的27模式作为工作模式，当工作电压为15kV,电流为0.8A时，得到了效率大于8.4%，中心频率为94.5GHz处峰值功率超过2 kW的微波功率输出,—3dB带宽为1GHz,增益超过40dB。

W波段分布作用速调管的研制

第32卷第10期2020年10月强激光与粒子束Vol.32,No.10 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Oct.,2020•速调管放大器专题•W波段分布作用速调管的研制韦莹，杨继涛，周军，李冬凤，欧阳佳佳，窦钺(北京真空电子技术研究所，北京100015)摘要：简要介绍了一种W波段分布作用速调管的设计思路、设计方案和模拟结果，并给出了该管的测试结果。

该管采用大压缩比圆柱电子枪和永磁聚焦系统，阴极电压17kV,阴极电流0.78A；高频系统由5间隙和11间隙(输出腔)的分布作用腔组成，采用长短槽梯形结构。

样管实现了脉冲输出功率大于2kW、带宽500MHz、增益40dB、工作比5%等指标。

关键词：微波功率器件；分布作用速调管；W波段；电子光学系统中图分类号：TN122+.7文献标志码： A doi:10.11884/HPLPB202032.200207Design of a W-band extended interaction klystronWei Ying,Yang Jitao,Zhou Jun,Li Dongfeng,Ouyang Jiajia,Dou Yu(Beijing Vacuum Electronics Research Institute,Beijing100015,China)Abstract：This paper briefly introduces the design of a W-band extended interaction klystron(EIK),and gives the test results.The high frequency extended interaction circuit consisted of five5-gap buncher cavities and one11-gap output cavity which can obtain wider bandwidth.This ladder-type multi-gap cavity circuit is easy to fabricate andsupports greater energy margins.The n-mode is selected as the operating mode of the5-gap(or11-gap)cavities.Bynow,with an electron beam of17kV and0.78A,the EIK has achieved a peak output power of2kW,bandwidth of500MHz,gain of40dB,and duty cycle of5%.Key words：microwave power device；extended-interaction klystron；W-band；electronic optics system近年来随着雷达技术的进步，微波功率器件也向着毫米波甚至更高的频段拓展。

Wiggler聚焦带状注速调管电子光学系统的设计

频通过率高，收集极区无反转磁场等。但是在带状电子注中，由于带状电子注上层和下层之间存在Ｅ×Ｂ速度
剪切，电子注在均匀场聚焦中存在传输不稳定性，结果发生扭结和撕裂Ｌ。因而需要满足一定的传输条件（２］增大聚焦磁场）才可以在均匀场聚焦方式下实现电子注的稳定传输。所以若采用均匀场聚焦带状注速调管，，聚焦系统的体积过于庞大，利于工程上的应用。若采用周期场聚焦方式，形截面带状电子注由于在注边缘存不矩
极，产生的圆形电子注通过均匀磁聚焦系统或周期反转磁聚焦系统聚焦。带状注速调管采用柱面阴极产生矩
形或椭圆形带状电子注，或者利用球面阴极产生圆形电子注，利用聚焦磁场转换为椭圆形带状电子注ｕ；再带
长宽比值很大的薄矩形或椭圆形电子注来降低空间电荷力对强电子束流的限制，时输出功率与波长成正比，这
使得在高频段可以产生高功率微波输出。采用带状电子注的优点还体现在：１注电流密度大大降低，（）因此极
维普资讯 http://www.来自第１９卷第９期
强激光与粒子束
ＨＩＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＧＣＬＥＢＥＡＭＳ
Ｖｏ．１ＮＯ．９１９．
Ｓｅｐ．，００７２

w波段带状注分布作用速调管

w波段带状注分布作用速调管W波段带状注分布作用速调管是一种高频电子器件，广泛应用于雷达、通信和微波电子学等领域。

其结构简单，性能优良，被誉为高频电子学的“明珠”。

本文将从以下几个方面分析W波段带状注分布作用速调管的结构、工作原理、性能及应用。

一、W波段带状注分布作用速调管的结构W波段带状注分布作用速调管由电子枪、聚束系统、漂移管、放大器、速度调制系统和输出系统等组成。

其中，电子枪产生电子束，聚束系统将电子束聚焦到漂移管中，漂移管中的电子束受到电场的作用而运动，经过放大器放大后，通过速度调制系统和输出系统输出。

二、W波段带状注分布作用速调管的工作原理W波段带状注分布作用速调管的工作原理基于带状注分布作用原理。

当电子束通过漂移管时，受到电场的作用而运动。

由于电子束的速度不同，电子束在漂移管内的位置也不同。

因此，漂移管内的电场也不同。

当电子束经过放大器时，电子束的速度发生变化，从而导致电子束在漂移管内的位置发生变化。

这种速度调制的效果使得电子束的能量被转换为微波信号，通过输出系统输出。

三、W波段带状注分布作用速调管的性能W波段带状注分布作用速调管具有以下几个优点：1. 高增益：W波段带状注分布作用速调管的增益高，能够放大微弱的信号，提高接收灵敏度。

2. 宽带：W波段带状注分布作用速调管能够在较宽的频带内工作，适用于多种频率的信号处理。

3. 高功率：W波段带状注分布作用速调管能够输出高功率的微波信号，适用于雷达、通信等领域。

4. 高稳定性：W波段带状注分布作用速调管的电路结构简单，稳定性高，能够长时间工作。

四、W波段带状注分布作用速调管的应用W波段带状注分布作用速调管广泛应用于雷达、通信和微波电子学等领域。

具体应用包括：1. 雷达：W波段带状注分布作用速调管能够输出高功率的微波信号，适用于雷达系统中的发射机和接收机。

2. 通信：W波段带状注分布作用速调管能够放大微弱的信号，提高接收灵敏度，适用于通信系统中的接收机。

w波段带状注扩展互作用速调管放大器的理论研究与数值模拟

国外研究 W 波段带状注扩展互作用速调管的主要有美国的美国海军研究实验室 (NRL)、加利福尼亚大学戴维斯分校 (UC Davis)、斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 等机构. 其中 NRL 于 2014 年
* 国家重点研发计划 (批准号: 2018YFC0115001) 资助的课题. † 通信作者. E-mail: 17721915695@ © 2019 中国物理学会 Chinese Physical Society
国内研究 W 波段带状注扩展互作用速调管的主要有中国科学院电子学研究所、电子科技大学、中国工程物理研究院应用电子学研究所等单位. 其中中国科学院电子学研究所完成了 W 波段带状注扩展互作用速调管的设计, 仿真得到的输出功率为 69 kW, 效率为 24%, 增益为 37 dB, 3 dB 带宽为 100 MHz, 并于 2012 年完成了束管的焊接和测试, 当电子注电压为 20—82 kV 时, 发射电流为 0.5—4.27 A, 在长度为 100 mm 的漂移通道内流通率大于 98%, 但未见后续高频管实验报道 [7]. 2019 年电子科技大学报道了其研制的 W 波段带状注扩展互作用速调管振荡器, 电压为 47.2 kV, 电流为 2.1 A 时, 实验得到峰值输出功率为 6 kW, 在工作占空比 20% 时平均功率为 1.2 kW[13].
本文基于电子流振荡理论, 在小信号条件下推导了纵向模式为 2π 模的三间隙谐振腔的电子负载电导和电子负载电纳的表达式, 分析了等离子体频率、间隙宽度和相邻间隙中心之间的距离等参数对电子负载电导和电子负载电纳的影响. 基于理论分析结果, 设计了一款工作于 W 波段的带状注扩展互作用速调管放大器, 输入信号频率为 94.47 GHz 时仿真得到输出功率为 5773 W, 3 dB 带宽约为 140 MHz.

W波段带状注电子枪的仿真研究

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。
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｓｈｅｅｔｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｗａｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ．
ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｖａｃｕｕｍｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓｔｏｈｉｇｈｅｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｖａｃｕｕｍｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓｈａｓｂｅｅｎｌｉｍｉｔｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｏｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｖａｃｕｕｍｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｄｅｖｉｃｅｓ，ｔｈｅｓｈｅｅｔｂｅａｍｄｅｖｉｃｅｓｈａｖｅｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｇｏｏｄｐｒｏｓｐｅｃｔｓｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｏｎｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｈｉｎｇｏｆ

W波段带状注行波管高频系统研究与设计

W波段带状注行波管高频系统研究与设计
带状束行波管是一种毫米波和亚毫米波段高功率器件。带状电子束相比传统的圆形或椭圆形电子注,具有大传输电流,低电流密度,以及较大面积的注波互作用区间等优点,实现了带状束行波管的高功率输出和小型化结构。
近年来,带状束行波管的研究和发展使得该器件在雷达、卫星通信、电子对抗、遥感等国防和国民经济起到很大的作用。随着工业等领域的不断发展,要求器件输出功率越来越大,工作带宽越来越宽,工作频率越来越高。
2、利用HFSS仿真软件设计,设计和研究了W波段的多种新型宽带输入输出耦合器。采用多个矩形波导孔设计了E面超多孔定向耦合器和H面多孔定向超宽带耦合器;结合Matlab编程,设计了结构紧凑的Chebyshev分布单孔耦合器,通过改变耦合孔与矩形波导间的角度改善了耦合性能;采用多级Blagg反射器和多级匹配设计了低反射和高隔离的L弯波导宽带耦合,不断优化Blagg反射器来匹配反射器与L弯波导间的相位,提高了耦合器低频段的性能; 利用Blagg反射器和Y分支波导设计了高隔离超宽带的输入耦合器。
输入输出耦合器和输出窗作为带状束器件的重要部件,输入输出耦合器的传输、反射、隔离性能、带宽以及微波穿过输出窗所产生的耗散功率产生的局部热量严重影响管子的工作成败。因此设计和研究低反射和高隔离的宽带输入输出耦合器以及高功率容量宽带输出窗有着重要的意义。
本论文主要设计了W频带的多种具有低反射、高隔离、高传输的性能的宽带输入输出耦合器,在有限的条件下,加工和测试了Q波段和Ku波段的输入输出耦合器。为了更好的实现带状束行波管的传输特性,本文还设计了高功率容量的宽带多层输出窗。
本文主要包括以下内容:1、介绍了带状束行波管研究的背景和意义,详细阐述了国内外带状束器件的输入输出耦合器和输出窗结建立在场匹配法上的Dolph-Chebyshev曲线理论以及Blagg栅的模式匹配法和级联矩阵理论;并对多层输出窗的场匹配法和热分析的传热学理论作了简要的阐述。

W波段扩展互作用器件均匀磁聚焦电子光学系统

W波段扩展互作用器件均匀磁聚焦电子光学系统刘海敬;蒙林;殷勇;王彬【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2014(026)006【摘要】扩展互作用器件,采用三个线圈和一个磁极实现均匀磁场分布.根据理论计算采用有限元法磁学(FEMM)仿真软件对所求磁场进行了建模分析,依据FEMM计算的磁场结合静电电子枪,采用CST仿真软件对高电流密度、高压缩比的电子注在均匀聚焦磁场的作用下传输进行优化.经过计算得出,在工作电压为17 kV、阴极发射电流密度小于10 A/cm2的条件下,由皮尔斯电子枪发射的电子注在均匀磁场的聚焦作用下传输良好,通过率为100％,得到了导流系数为0.175 μP的电子枪,在均匀磁场区形成了高电流密度、高压缩比的电子注,平均电流密度达到343.17A/cm2,压缩比为32,电子注横纵速度比为7.2％.【总页数】4页(P159-162)【作者】刘海敬;蒙林;殷勇;王彬【作者单位】电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054;电子科技大学物理电子学院,成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN122【相关文献】1.W波段带状注扩展互作用速调管注波互作用系统 [J], 陈姝媛;阮存军;王勇;张长青;钟勇;赵鼎2.W波段扩展互作用速调管电子光学系统 [J], 邓德荣;李文君;单李军;曾造金;周霖3.W波段带状注扩展互作用速调管放大器的理论研究与数值模拟 [J], 曾造金; 马乔生; 胡林林; 蒋艺; 胡鹏; 雷文强; 马国武; 陈洪斌4.220 GHz均匀永磁聚焦行波管电子光学系统的设计与实验研究 [J], 曾造金;胡芯瑞;蒋艺;胡鹏;马国武;马乔生5.W波段扩展互作用速调管的研究 [J], 钟勇;李冬凤;王加松;韦莹因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

W波段平面线形排列多注分布作用管谐振腔的研究

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
W 波段平面线形排列多注分布作用管谐振腔的研究
通过三维仿真软件CST-MSW 建立了平面线形排列的多注分布作用速调管五间隙谐振腔的物理模型，获得了结构参数对腔体的场形、特性阻抗等相关冷参数的影响。

在工作模式频率相同的情况下，对平面线形排列的多注分布作用速调管五间隙腔体和带状注速调管传统的哑铃型五间隙腔体参数进行了对比分析。

研究表明，平面线形排列的多注分布作用速调管谐振腔具有结构稳定、有效互作用阻抗高等优点。

同时还发现在一定频带范围内这种平面线形排列的多注分布作用速调管谐振腔具有较少的非工作模式，这对实际工程制管具有重要指导意义。

平面线形排列的多注分布作用速调管是在传统带状注速调管(SBK) 的基础上发展而来，是一种新型的微波器件，它继承了带状电子注的优点，在一维方向上扩展为较大的尺寸，另一个维度上满足频率与几何尺寸共度性效应，同时有效降低了阴极的电流发射密度和空间电荷力，具有体积小、重量轻、结构紧凑等优势，同时可以避免带状电子注在传输过程中容易造成的扭结和不稳定性等问题，有望在高频段乃至太赫兹频段获得高功率微波输出,因而在军用空间武器和空间微波系统中具有明显的技术优势和巨大的发展前景。

早在1999 年，俄罗斯的M. Yu Vorobyev 和
本文具体介绍了这种平面线形排列W 波段五间隙多注速调管分布作用谐振腔的模拟设计，分析其沿x、y 以及电子注运动方向各尺寸变化时，谐振腔各参数的变化情况，并与传统五间隙带状注分布作用谐振腔进行了对比研究。

1、谐振腔及其物理设计平面线形排列多注分布作用速调管继承了带状注速调管的优点，为使横向电场均匀，电子注能与电场进行高效的注波互作用，。

W波段波束波导天线系统的研究与设计的开题报告

W波段波束波导天线系统的研究与设计的开题报告【摘要】本文主要介绍了W波段波束波导天线系统的研究与设计的开题报告，主要内容包括：引言、研究目的和意义、研究现状、主要研究内容、研究方法和技术路线、预期结果和阶段性工作安排、结论等。

【关键词】W波段、波束波导天线、研究设计、技术路线【正文】一、引言W波段是指频率范围为75-110GHz的微波频段，相较于传统的微波频段，其具有更高的带宽和更低的传输损耗。

随着科技的不断进步，W波段的利用也在不断拓展，其中波束波导天线系统是W波段应用的重要部分之一。

波束波导天线系统应用于宽带通信、雷达测距、太空通信等领域，具有发射功率高、方向性强、传输速度快等优势，对于推动W波段技术的发展具有重要作用。

二、研究目的和意义本项目旨在对W波段波束波导天线系统进行深入研究和设计，探索其在宽带通信、雷达测距、太空通信等领域的应用，为W波段技术的发展做出贡献。

三、研究现状目前，国内外对于W波段波束波导天线系统的研究已经取得了很多成果。

在天线设计方面，研究人员采用多种材料和结构设计实现高效天线，例如采用集总元件形式、螺旋天线结构等。

在系统方面，对于天线与光纤集成、测距精度提升、通信速率提高等方面的研究进行了深入探讨。

但同时，也存在一些问题，例如天线结构复杂、制造成本高、噪声干扰较大等。

四、主要研究内容本项目主要研究内容包括：1. W波段天线设计优化。

通过多种材料和结构优化设计，探索高效天线的实现方案。

2. 波导结构设计。

针对W波段波导天线系统，研究其波导结构的设计和制造。

3. 测试和性能分析。

进行波束测向、波导损耗等性能测试，并对测试数据进行分析和优化。

五、研究方法和技术路线本项目采用多种研究方法和技术路线，包括：1. 理论分析方法。

建立相关理论模型和数学模型，对天线和波导结构进行分析和优化设计。

2. 数值仿真方法。

通过Ansys HFSS等软件进行数值仿真和分析，得到设计参考和优化方案。

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