W波段螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用的非线性分析

薛智浩; 刘濮鲲; 杜朝海; 李铮迪

doi:10.7498/aps.61.170201

摘要

本文从有源麦克斯韦方程组出发, 系统地推导了螺旋波纹波导的色散方程及非线性注波互作用理论, 数值计算结果与已有的实验报道基本相符.在此基础上,设计了W波段螺旋波纹回旋行波管, 工作电压80 kV, 工作电流5 A, 中心频率95 GHz, 3 dB带宽约4.5%, 饱和增益52 dB, 最大输出功率142 kW, 电子效率达20%-35%.最后,本文计算了电流, 电压及输入功率的改变对W波段螺旋波纹波导回旋行波管输出性能的影响.

关键词:

Abstract

Gyro-TWT is one of the most promising candidates for the application of the transmitter microwave source of the next-generation imaging radar; meanwhile, it plays an important role in national security. Gyro-TWT with helical waveguide is capable of generating broad-bandwidth radiation, as well as high stable ability. In this paper, we derive the dispersion equation of helical waveguide and the non-linear theory of calculating the beam-wave interaction. Numerical stimulation results accord with the experimental results. We design a W-band gyro-TWT operating at a 80 keV, 5 A electron beam, which can produce an output power of 142 kW, with 3 dB bandwidth 4.5%, cantral frequency 95 GHz and saturation gain 52 dB. Finally, we calculate the effect of variation of voltage and current on the output performance of gyro-TWT with helical waveguide.

Keywords:

作者及机构信息

1.
中国科学院电子学研究所, 北京 100190;

2.
中国科学院研究生院, 北京 100049

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61072024, 60971072)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;

2.
Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61072024, 60971072).

参考文献

[1]	Liao F J 1999 The heart of information equipment (Beijing: National Defense Industrial Press) p112 (in Chinese) [廖复疆 1999 真空电子技术-信息装备的心脏 (北京:国防工业出版社) 第112页]
[2]	Liu B T 2006 Journal of Electronics & Information Technology 28 760 (in Chinese) [刘本田 2006 电子与信息学报 28 760]
[3]	Du C H, Liu P K, Xue Q Z 2010 Journal of Electronics & Information Technology 32 1717 (in Chinese) [杜朝海, 刘濮鲲, 薛谦忠 2010 电子与信息学报 32 1717]
[4]	Jiao C Q, Luo J R 2007 Journal of Electronics & Information Technology 29 2009 (in Chinese) [焦重庆, 罗积润 2007 电子与信息学报 29 2009]
[5]	Kwo Ray Chu 2002 Plasma Science, IEEE Transactions on 30 903
[6]	Park G S, Choi J J, Park S Y 1995 Physical Review Letters 74 2399
[7]	Chu K R, Barnett L R, Chen H Y 1995 Physical Review Letters 74 1103
[8]	Chu K R, Chen H Y, Hung C L 1998 Physical Review Letters 81 4760
[9]	Wang Q S, McDermott D B, Luhmann N C 1996 IEEE Transactions on Plasma Science 24 700
[10]	Chong C K, McDermott D B, Luhmann N C 1998 IEEE Transactions on Plasma Science 26 500
[11]	Calame J P, Garven M, Danly B G 2002 IEEE Transactions on Electron Devices 49 1469
[12]	Garven M, Calame J P, Danly B G 2002 IEEE Transactions on Plasma Science 30 885
[13]	Pershing D E, Nguyen K T, Calame J P 2004 IEEE Transactions on Plasma Science 32 947
[14]	Nguyen K T, Calame J P, Pershing D E 2001 IEEE Transactions on Electron Devices 48 108
[15]	Denisove G G, Bratman V L, Cross A W 1998 Physical Review Letters 81 5680
[16]	Denisov G G, Bratman V L 1998 IEEE Transactions on Plasma Science 26 508
[17]	Zhu S Q, Wang E F, Li H F 2006 High Power Laser and Particle Beams 18 110 (in Chinese) [朱世秋, 王峨锋, 李宏福 2006 强激光与粒子束 18 110]
[18]	Wang E F, Li H F, Li H 2005 Acta Physica Sinica 54 5339 (in Chinese) [王峨峰, 李宏福, 李浩 2005 物理学报 54 5339]
[19]	Huang H J 1963 Microwave Theory (Vol I) (Beijing: Science Press) p299 (in Chinese) [黄宏嘉 1963 微波原理(卷I)(北京:科学出版社) 第299页]
[20]	Bratman V L, Cross A W, Denisov G G 2000 Physical Review Letters 84 2746

施引文献

[1]	Liao F J 1999 The heart of information equipment (Beijing: National Defense Industrial Press) p112 (in Chinese) [廖复疆 1999 真空电子技术-信息装备的心脏 (北京:国防工业出版社) 第112页]
[2]	Liu B T 2006 Journal of Electronics & Information Technology 28 760 (in Chinese) [刘本田 2006 电子与信息学报 28 760]
[3]	Du C H, Liu P K, Xue Q Z 2010 Journal of Electronics & Information Technology 32 1717 (in Chinese) [杜朝海, 刘濮鲲, 薛谦忠 2010 电子与信息学报 32 1717]
[4]	Jiao C Q, Luo J R 2007 Journal of Electronics & Information Technology 29 2009 (in Chinese) [焦重庆, 罗积润 2007 电子与信息学报 29 2009]
[5]	Kwo Ray Chu 2002 Plasma Science, IEEE Transactions on 30 903
[6]	Park G S, Choi J J, Park S Y 1995 Physical Review Letters 74 2399
[7]	Chu K R, Barnett L R, Chen H Y 1995 Physical Review Letters 74 1103
[8]	Chu K R, Chen H Y, Hung C L 1998 Physical Review Letters 81 4760
[9]	Wang Q S, McDermott D B, Luhmann N C 1996 IEEE Transactions on Plasma Science 24 700
[10]	Chong C K, McDermott D B, Luhmann N C 1998 IEEE Transactions on Plasma Science 26 500
[11]	Calame J P, Garven M, Danly B G 2002 IEEE Transactions on Electron Devices 49 1469
[12]	Garven M, Calame J P, Danly B G 2002 IEEE Transactions on Plasma Science 30 885
[13]	Pershing D E, Nguyen K T, Calame J P 2004 IEEE Transactions on Plasma Science 32 947
[14]	Nguyen K T, Calame J P, Pershing D E 2001 IEEE Transactions on Electron Devices 48 108
[15]	Denisove G G, Bratman V L, Cross A W 1998 Physical Review Letters 81 5680
[16]	Denisov G G, Bratman V L 1998 IEEE Transactions on Plasma Science 26 508
[17]	Zhu S Q, Wang E F, Li H F 2006 High Power Laser and Particle Beams 18 110 (in Chinese) [朱世秋, 王峨锋, 李宏福 2006 强激光与粒子束 18 110]
[18]	Wang E F, Li H F, Li H 2005 Acta Physica Sinica 54 5339 (in Chinese) [王峨峰, 李宏福, 李浩 2005 物理学报 54 5339]
[19]	Huang H J 1963 Microwave Theory (Vol I) (Beijing: Science Press) p299 (in Chinese) [黄宏嘉 1963 微波原理(卷I)(北京:科学出版社) 第299页]
[20]	Bratman V L, Cross A W, Denisov G G 2000 Physical Review Letters 84 2746

[1]	邱海舰, 胡玉禄, 胡权, 朱小芳, 李斌. 考虑谐波互作用的行波管欧拉非线性理论模型. 物理学报, 2018, 67(8): 088401. doi: 10.7498/aps.67.20180024
[2]	罗积润, 唐彦娜, 樊宇, 彭澍源, 薛谦忠. 分布损耗加载回旋行波管多模稳态注波互作用理论与比较证实. 物理学报, 2018, 67(1): 018402. doi: 10.7498/aps.67.20171831
[3]	胡玉禄, 胡玉禄, 胡权, 胡权, 朱小芳, 朱小芳, 李斌, 李斌, 邱海舰, 邱海舰, 高鸾凤, 高鸾凤. 螺旋线行波管三维返波互作用理论与数值模拟. 物理学报, 2017, 66(2): 028401. doi: 10.7498/aps.66.028401
[4]	颜胜美, 苏伟, 王亚军, 徐翱, 陈樟, 金大志, 向伟. 0.14THz基模多注折叠波导行波管的理论与模拟研究. 物理学报, 2014, 63(23): 238404. doi: 10.7498/aps.63.238404
[5]	颜卫忠, 胡玉禄, 李建清, 杨中海, 田云先, 李斌. 基于三端口网络模型的折叠波导行波管注波互作用理论研究. 物理学报, 2014, 63(23): 238403. doi: 10.7498/aps.63.238403
[6]	薛智浩, 刘濮鲲, 杜朝海. W波段螺旋波纹波导回旋行波管注波互作用的非线性分析. 物理学报, 2014, 63(8): 080201. doi: 10.7498/aps.63.080201
[7]	殷海荣, 徐进, 岳玲娜, 宫玉彬, 魏彦玉. 一种折叠波导行波管大信号互作用理论. 物理学报, 2012, 61(24): 244106. doi: 10.7498/aps.61.244106
[8]	刘漾, 魏彦玉, 沈飞, 许雄, 刘洋, 赖剑强, 黄明智, 唐涛, 宫玉彬. 开敞型角向周期加载金属柱圆波导的注波互作用线性理论研究. 物理学报, 2012, 61(16): 168401. doi: 10.7498/aps.61.168401
[9]	白春江, 李建清, 胡玉禄, 杨中海, 李斌. 利用等效电路模型计算耦合腔行波管注-波互作用. 物理学报, 2012, 61(17): 178401. doi: 10.7498/aps.61.178401
[10]	郭建华, 喻胜, 李宏福, 张天钟, 雷朝军, 李想, 张颜颜. 回旋速调管注波互作用瞬态非线性理论与模型研究. 物理学报, 2011, 60(9): 090301. doi: 10.7498/aps.60.090301
[11]	张长青, 宫玉彬, 魏彦玉, 王文祥. 介质加载折叠波导行波管的线性分析. 物理学报, 2010, 59(9): 6653-6658. doi: 10.7498/aps.59.6653
[12]	彭维峰, 胡玉禄, 杨中海, 李建清, 陆麒如, 李斌. 螺旋线行波管注波互作用时域理论. 物理学报, 2010, 59(12): 8478-8483. doi: 10.7498/aps.59.8478
[13]	杜朝海, 刘濮鲲, 薛谦忠. 基于损耗介质加载波导的回旋行波管放大器的互作用分析. 物理学报, 2010, 59(7): 4612-4619. doi: 10.7498/aps.59.4612
[14]	何俊, 魏彦玉, 宫玉彬, 段兆云, 路志刚, 王文祥. 脊加载曲折波导行波管注波互作用的线性理论研究. 物理学报, 2010, 59(9): 6659-6665. doi: 10.7498/aps.59.6659
[15]	孙海燕, 焦重庆, 罗积润. 回旋行波放大器输出端反射对注-波互作用的影响. 物理学报, 2009, 58(2): 925-929. doi: 10.7498/aps.58.925
[16]	郝保良, 肖刘, 刘濮鲲, 李国超, 姜勇, 易红霞, 周伟. 螺旋线行波管三维频域非线性注波互作用的计算. 物理学报, 2009, 58(5): 3118-3124. doi: 10.7498/aps.58.3118
[17]	李建清, 莫元龙. 行波管中慢电磁行波与电子注非线性互作用普遍理论. 物理学报, 2006, 55(8): 4117-4122. doi: 10.7498/aps.55.4117
[18]	王峨锋, 李宏福, 李浩, 喻胜, 牛新建, 刘迎辉. 螺旋波纹波导研究. 物理学报, 2005, 54(11): 5339-5343. doi: 10.7498/aps.54.5339
[19]	喻胜, 李宏福, 谢仲怜, 罗勇. 渐变复合腔回旋管高次谐波注-波互作用非线性模拟. 物理学报, 2000, 49(12): 2455-2459. doi: 10.7498/aps.49.2455
[20]	吴坚强, 刘盛纲. 含等离子体柱的介质慢波波导中的注波互作用分析. 物理学报, 1997, 46(10): 1946-1952. doi: 10.7498/aps.46.1946

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