摘 要：提出了一種新型同軸毫米波擴(kuò)展互作用振蕩器，并采用MAGIC粒子模擬軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了工作參數(shù)對(duì)輸出功率的影響，獲得了工作參數(shù)的優(yōu)化值。模擬結(jié)果表明該器件在8 mm波段能產(chǎn)生頻譜特性良好的功率為17.5 kW的微波輸出。

關(guān)鍵詞：EIO;同軸高頻系統(tǒng);粒子模擬;MAGIC

中圖分類(lèi)號(hào)：TN129 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2008)1700103

Particle Simulation of 8 mm Coaxial Extended Interaction Oscillator(EIO)

YE Jiruo，YAN Yang

(College of Physical Electronics，University of Electronic Science Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：A new type of coaxial millimeter-wave extended interaction oscillator is developed.The MAGIC particle simulation software is uesd to investigate the dependence of the output power on the operation parameters and the optimum operation parameters for the device are obtained.The simulation results show that this device can generate microwave power of 17.5 kW in 8 mm wave band.

Keywords：EIO;coaxial high-frequency system;particle simulation;MAGIC

1 引 言

毫米波指工作頻率為26.5～300 GHz范圍內(nèi)的電磁波，由于具有頻帶寬、波束窄等優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用兩個(gè)方面都有誘人的應(yīng)用前景，目前在國(guó)際上是一個(gè)很活躍的研究領(lǐng)域。擴(kuò)展互作用振蕩器(EIO)和放大器（EIA）是一類(lèi)重要的毫米波電真空器件，它把行波管的寬帶特性及速調(diào)管高增益、高效率優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，是一種既有高的增益和效率，又有足夠帶寬的新器件。與普通速調(diào)管類(lèi)似，擴(kuò)展互作用速調(diào)管由兩個(gè)或多個(gè)諧振腔構(gòu)成，每個(gè)諧振腔由慢波系統(tǒng)構(gòu)成，當(dāng)電子注與諧振腔內(nèi)慢波同步時(shí)，產(chǎn)生有效的注波互作用，由于電子注的調(diào)制在慢波系統(tǒng)上進(jìn)行，因而具有較寬的頻帶及較高的互作用效率。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展互作用振蕩器和放大器十分適合工作在毫米波波段，已經(jīng)發(fā)展成為一類(lèi)重要的大功率毫米波器件，目前正在向更高頻率及更高輸出功率發(fā)展^{［1，2］}。

當(dāng)前的毫米波EIO采用實(shí)心電子注，互作用腔體體積較小，輸出功率受到限制^［3，4］。本文提出的同軸結(jié)構(gòu)EIO采用環(huán)形電子注，可比實(shí)心電子注傳輸更大的電流且減少空間電荷限流的影響，高頻系統(tǒng)采用同軸結(jié)構(gòu)擴(kuò)大互作用空間，減少模式競(jìng)爭(zhēng)，有望在高的工作頻率下獲得高輸出功率。

2 高頻系統(tǒng)分析

本文設(shè)計(jì)的高頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由引導(dǎo)磁場(chǎng)a、準(zhǔn)直孔b、第一段慢波結(jié)構(gòu)SWS1、漂移段c、第二段慢波結(jié)構(gòu)SWS2、輸出喇叭d和輸出波導(dǎo)e組成。由電子槍發(fā)射的環(huán)形電子注在外加磁場(chǎng)的引導(dǎo)下經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直孔進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)。電子注經(jīng)過(guò)第一段慢波結(jié)構(gòu)SWS1處獲得預(yù)調(diào)制，預(yù)調(diào)制束的狀態(tài)在漂移段c處不斷變化，到第二段慢波結(jié)構(gòu)SWS2處束的群聚狀態(tài)達(dá)到最佳，此時(shí)與慢波結(jié)構(gòu)的TM₀₁模發(fā)生有效的行波相互作用，把能量交給微波場(chǎng)，向前傳播的波由輸出喇叭輸出。

該器件各部分的設(shè)計(jì)思想及功能如下：

(1) SWS1主要起對(duì)電子束進(jìn)行預(yù)調(diào)制的作用。因此，所用的慢波結(jié)構(gòu)參數(shù)要與束電壓相匹配，以保證束波同步使束產(chǎn)生速度調(diào)制。此外，根據(jù)理論分析，要使進(jìn)入SWS2時(shí)的束群聚狀態(tài)最佳，要求束從SWS1離開(kāi)時(shí)有適當(dāng)?shù)乃俣日{(diào)制及較小的密度調(diào)制，因而SWS1的周期數(shù)不宜太多。但當(dāng)SWS1的周期數(shù)較少時(shí)，僅靠其自身難以與束發(fā)生有效相互作用而使其獲得速度調(diào)制，實(shí)際上這種預(yù)調(diào)制還要借助于SWS2反射部分微波至SWS1來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2) 漂移段主要起著將束在SWS1獲得的速度調(diào)制通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為密度調(diào)制的作用。漂移段的長(zhǎng)度將關(guān)系到預(yù)調(diào)制束進(jìn)入SWS2時(shí)的群聚狀態(tài)，這一點(diǎn)類(lèi)似于速調(diào)管，不同的是這里的漂移段對(duì)束波作用產(chǎn)生的微波不截止，它與兩端的慢波結(jié)構(gòu)構(gòu)成Bragg諧振腔^［5］，其中的微波場(chǎng)有一定的注波成分，電子束在其中漂移時(shí)會(huì)與注波場(chǎng)發(fā)生相互作用而產(chǎn)生渡越時(shí)間效應(yīng)，這將對(duì)電子束進(jìn)入SWS2的調(diào)制狀態(tài)產(chǎn)生影響。

(3) SWS2是發(fā)生有效束波作用、束將能量交給波的主要區(qū)域，電子束在其中與TM₀₁模發(fā)生行波相互作用。

這一點(diǎn)可以通過(guò)選擇慢波結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得在器件工作電壓下，束的Doppler線(xiàn)與慢波結(jié)構(gòu)色散線(xiàn)的交點(diǎn)位于TM₀₁模行波區(qū)，以使產(chǎn)生的微波向前傳輸。

3 粒子模擬結(jié)果

MAGIC是一種公認(rèn)的能正確處理帶電粒子與電磁場(chǎng)互作用的粒子模擬程序，它是美國(guó)Mission Research Corporation公司于1978 年開(kāi)發(fā)出來(lái)的，歷經(jīng)二十余年的發(fā)展已成為粒子模擬領(lǐng)域的權(quán)威，現(xiàn)廣泛用于模擬分析各種微波器件的注波互作用過(guò)程。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，MAGIC粒子模擬的結(jié)果和實(shí)際制作出來(lái)的微波器件的測(cè)試數(shù)據(jù)是相當(dāng)吻合的，故本器件采用MAGIC粒子模擬程序進(jìn)行模擬。

MAGIC模擬模型如圖2所示，模擬中在準(zhǔn)直孔的入口處加了一塊金屬板近似代替電子槍發(fā)射電子，電子數(shù)密度在整個(gè)環(huán)形發(fā)射面上是均勻的，電子束保持在互作用區(qū)的中心區(qū)域，離上下腔體的距離相等。外加引導(dǎo)磁場(chǎng)在注波互作用區(qū)均勻分布，在輸出區(qū)域磁場(chǎng)逐漸減小，以便電子注向上偏轉(zhuǎn)，最后打在兼做收集極的輸出喇叭上。

圖3是輸出功率達(dá)到飽和后一個(gè)時(shí)刻t=257.143 ns時(shí)的電子軸向動(dòng)量沿z的相空間分布圖。從圖中可以看出，電子注在SWS1處與自身激勵(lì)的電磁波相互作用而獲得速度調(diào)制，P_z開(kāi)始產(chǎn)生比較小波動(dòng)；在漂移區(qū)將速度調(diào)制轉(zhuǎn)換為密度調(diào)制，P_z波動(dòng)比較明顯，并且有一定的減小，說(shuō)明電磁波開(kāi)始從電子獲得能量，電磁波被激起；在SWS2處密度群聚進(jìn)一步發(fā)展，P_z出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，說(shuō)明束波發(fā)生了有效的相互作用；在SWS2的末段，電子的相空間軌跡有些類(lèi)似螺旋狀，說(shuō)明電子被波俘獲，束波之間的能量轉(zhuǎn)換達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即波達(dá)到飽和。這一束波作用圖像體現(xiàn)了本文關(guān)于EIO高頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想^［6］。

圖4給出了輸出波導(dǎo)最右端處的高頻電壓時(shí)間曲線(xiàn)和幅頻特性的圖像。從圖4(a)中可知，約100 ns時(shí)刻，注波互作用不穩(wěn)定開(kāi)始出現(xiàn)，高頻電壓隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，約220 ns達(dá)到飽和。對(duì)高頻電壓的時(shí)間曲線(xiàn)進(jìn)行傅里葉變化，得到注波互作用受激輻射的頻譜分布如圖4(b)所示。從圖4(b)中可知，微波振蕩的主頻為35.6 GHz，頻譜上沒(méi)有出現(xiàn)其他頻率分量，說(shuō)明該高頻系統(tǒng)對(duì)其他頻率分量的抑制效果良好。

為確定注波互作用受激輻射微波的模式，在輸出功率達(dá)到飽和后t=250 ns時(shí)抽樣出高頻場(chǎng)E_z分量和B_φ分量沿r的場(chǎng)分布，如圖5所示。從圖5(a)中可知E_z沿r的分布中間有最大值兩端有最小值，從圖5(b)可知B_φ沿r向的分布兩端有最大值中間有最小值，由此得知電子注是與腔中的TM₀₁模式場(chǎng)發(fā)生互作用的^［7］。

對(duì)輸出波導(dǎo)最右端的截面進(jìn)行功率流積分，得到截面上輻射功率的時(shí)間分布如圖6所示。從圖6可知，器件經(jīng)輸出喇叭輻射的功率約為17.5 kW。

4 工作參數(shù)分析

為了尋求所設(shè)計(jì)的同軸EIO的優(yōu)化工作參數(shù)，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室的制管條件對(duì)高頻系統(tǒng)輸出功率與各工作參數(shù)的依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行了模擬和分析，如圖7所示。每次模擬只改變一個(gè)參數(shù)值， 其他參數(shù)不變，所有模擬都是在工作頻率點(diǎn)(35.6±0.5) GHz 進(jìn)行的。

從圖7(a)中可知，小于0.7 T的磁場(chǎng)對(duì)輸出功率的影響不是很大。當(dāng)B_z小于0.3 T時(shí)，模擬中發(fā)現(xiàn)電子注會(huì)發(fā)生明顯的抖動(dòng)，不利用電子注的聚焦。本實(shí)驗(yàn)室可以提供小于1 T的磁場(chǎng)，考慮到實(shí)際的制管采用盡可能小的磁場(chǎng)，故B_z采用0.5 T。在圖7(b)中可知，I_b約為23 A時(shí)輸出功率達(dá)到最大，由于本實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)的環(huán)形電子槍的最大輸出電流在15 A左右，故I_b采用15 A。由圖7(c)中可知，U_b約為17.4 kV時(shí)輸出功率達(dá)到最大。本實(shí)驗(yàn)室可以提高小于25 kV的工作電壓，故U_b采用17.4 kV。通過(guò)分析各工作參數(shù)對(duì)輸出功率的影響，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備所能達(dá)到的運(yùn)行指標(biāo)，獲得了工作參數(shù)的優(yōu)化值：B_z＝0.5 T，I_b＝15 A，U_b＝17.4 kV，Δr_b＝0.6 mm，r₁=2.0 mm，r₂＝6.6 mm，h_c＝1.5 mm，d＝2.5 mm，L_c＝3.0 mm，L_d＝19.4 mm，N_sws1=7，N_sws2=13。其中Δr_b為電子注厚度，r₁，r₂分別為同軸內(nèi)外導(dǎo)體半徑，h_c，d，L_c分別為慢波結(jié)構(gòu)腔體的高度、間隙寬度和周期長(zhǎng)度，L_d為漂移區(qū)長(zhǎng)度，N_sws1，N_sws2分別為SWS1區(qū)和SWS2區(qū)腔體的個(gè)數(shù)。本實(shí)驗(yàn)室的制管加工精度可以達(dá)到0.1 mm，所以在實(shí)際制管過(guò)程中可以根據(jù)模擬得到的工作參數(shù)優(yōu)化值進(jìn)行實(shí)際的制管加工，并在優(yōu)化值附件對(duì)各工作參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以便獲得管子的最佳性能。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了適用于環(huán)形電子注的同軸高頻系統(tǒng)，并運(yùn)用MAGIC粒子模擬軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果體現(xiàn)了器件各部分的設(shè)計(jì)思想，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。分析了相關(guān)工作參數(shù)對(duì)輸出功率的影響，獲得了滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的各工作參數(shù)的優(yōu)化值。在外加磁場(chǎng)為0.5 T時(shí)，獲得了頻譜特性良好的8 mm波段17.5 kW的功率輸出。證實(shí)了高頻系統(tǒng)采用同軸結(jié)構(gòu)的可行性和優(yōu)越性，為下一步的實(shí)驗(yàn)制管打下了基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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