張 海，邵洋洲

（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門,361021）

0 引言

高功率微波器件（HPM）是指峰值功率超過(guò)100MW，頻率在1GHz到300GHZ之間，跨越厘米波和毫米波范圍的微波器件。近十年來(lái)，在軍事、民用和科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)Ω吖β省⒏哳l率、更高能量微波源的強(qiáng)烈需求推動(dòng)下，高功率微波已經(jīng)形成了一門新技術(shù)。它既有一些新的應(yīng)用，又能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)的某些應(yīng)用提供創(chuàng)新的方法，在定向能武器、雷達(dá)、電子高能RF加速、等離子體加熱、激光泵浦、功率束射方面都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)有高功率微波器件的性能正在不斷的成熟與完善，新的高功率微波器件還在不斷的產(chǎn)生。

在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合（例如：非破壞性波譜分析和長(zhǎng)距離物體成像研究），必須要使用高功率、高頻率的微波信號(hào)源，而且，當(dāng)微波與物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)激勵(lì)起一種非線性效應(yīng)，研究這種非線性現(xiàn)象也必須要用到高功率、高頻率的微波輻射源。因此，隨著微波科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)高功率、高頻率微波信號(hào)源的需求大大提高。到目前為止，該類信號(hào)僅可以通過(guò)等離子體電子學(xué)的方法和真空電子學(xué)的手段來(lái)產(chǎn)生。所以，可以說(shuō)微型真空電子器件必將在該領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。近年來(lái)，已有很多這方面的研究成果。

1 工作原理

高功率微波源的種類很多，本文主要研究其中一種，即返波振蕩器（簡(jiǎn)稱返波管）。圖1為返波管的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括：電子槍、慢波系統(tǒng)、磁場(chǎng)系統(tǒng)和輻射喇叭等。其中，慢波系統(tǒng)是返波管的注-波互作用區(qū)，它的作用是把結(jié)構(gòu)波的相速減小到小于真空中光速，使結(jié)構(gòu)波相速和電子速度能夠滿足Cherenkov同步條件。由于周期性慢波系統(tǒng)的每一個(gè)模式或結(jié)構(gòu)波都包含著無(wú)窮多個(gè)空間諧波，電子束實(shí)際上是與其中某一個(gè)模式（如TM01模）的負(fù)一次空間諧波發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生和放大電磁波。工作時(shí)，由電子槍產(chǎn)生的薄的環(huán)形電子束在引導(dǎo)磁場(chǎng)的約束下進(jìn)入慢波系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)波的負(fù)一次空間諧波相互作用。先進(jìn)入慢波系統(tǒng)的電子束與結(jié)構(gòu)波發(fā)生作用，產(chǎn)生強(qiáng)度較小的微波。輻射的能量沿著與電子束運(yùn)動(dòng)方向相反的方向傳播，進(jìn)一步與隨后進(jìn)

圖1 返波管結(jié)構(gòu)示意圖

入的電子相互作用，形成正反饋。這樣，微波信號(hào)被迅速放大，直至達(dá)到非線性飽和。最后，信號(hào)在慢波系統(tǒng)的起始端被反射，重新經(jīng)過(guò)慢波系統(tǒng)后進(jìn)入傳輸波導(dǎo)和模式轉(zhuǎn)換器、天線輻射系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)與仿真

2.1 粒子模擬的基本原理

粒子模擬方法PIC（Particle-in-Cell）是一種高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)模擬方法。它是建立在當(dāng)代高性能計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)之上的。粒子模擬方法的主要思路如下：首先將連續(xù)的空間進(jìn)行離散化，即形成空間網(wǎng)格；其次，將電磁場(chǎng)量（電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）也進(jìn)行離散，并離散分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上；

最后，再根據(jù)牛頓—洛侖茲力方程將帶電粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)求出，這就完成了一個(gè)循環(huán)。之后，再用同樣的方法計(jì)算下一個(gè)時(shí)間步，求出下一時(shí)刻電荷粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和空間位置。而這些所求得的物理量需要再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均之后，才可以得到大量微觀粒子的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相關(guān)信息。

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，一個(gè)粒子需要由六個(gè)物理量來(lái)描述，分別為三個(gè)空間坐標(biāo)和三個(gè)速度分量坐標(biāo)，它們構(gòu)成了表述粒子狀態(tài)的一個(gè)完整向量。而當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性時(shí)，可以不考慮粒子及場(chǎng)的角向分布情況，此時(shí)粒子的位置和場(chǎng)的各分量都可用二維坐標(biāo)來(lái)描述，但粒子的速度仍需要用三維量描述，這種方法稱為2.5 維粒子模擬方法。粒子模擬的基本流程如圖2所示。

2.2 器件性能的仿真研究

圖3為高功率返波管的物理模型，該模型關(guān)于Z軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，由環(huán)形陰極、陽(yáng)極、準(zhǔn)直孔、慢波系統(tǒng)、后漂移段、錐形波導(dǎo)及輸出波導(dǎo)等組成。模型

工作時(shí)，在外加電壓作用下，陰極表面爆炸發(fā)射產(chǎn)生環(huán)形電子束。在軸向引導(dǎo)磁場(chǎng)的作用下，電子束沿器件內(nèi)表面?zhèn)鬏?，依次?jīng)過(guò)準(zhǔn)直孔、慢波系統(tǒng)、后漂移段，最后被錐形波導(dǎo)內(nèi)表面吸收。在束-波互作用區(qū)中，電子束與慢波系統(tǒng)發(fā)生Cherenkov 互作用獲得速度調(diào)制，經(jīng)過(guò)一段距離的漂移后，這種速度調(diào)制轉(zhuǎn)化為密度調(diào)制并形成群聚。群聚良好的電子束再次與慢波系統(tǒng)發(fā)生有效的Cherenkov 相互作用，產(chǎn)生高功率微波。

本文研究了電子束電壓和外加磁場(chǎng)對(duì)振蕩器輸出特性的影響。圖4a所示為器件性能隨輸入電壓波幅值的變化關(guān)系。由圖可見，隨著的升高，工作頻率逐漸降低，這與傳統(tǒng)返波管的頻率調(diào)諧特性剛好相反。這說(shuō)明，該振蕩器工作在零次諧波段，因?yàn)?/p>

圖2 粒子模擬流程圖

圖3 220 GHz返波管計(jì)算模型

只有在前向波區(qū)域才會(huì)具有這樣的頻率調(diào)諧特性。圖4b所示為器件工作特性隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系?？梢钥吹?，隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)，輸出功率明顯升高，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度大于3.0 T后，輸出功率趨于穩(wěn)定；而振蕩頻率受磁場(chǎng)的影響并不大，基本保持在224 GHz左右。根據(jù)以上分析，我們選擇注入波電壓Um=120 kV、引導(dǎo)磁場(chǎng)強(qiáng)度B=4.0 T。此時(shí)，可以獲得約224 GHz、4.8 MW的信號(hào)功率輸出。

圖5為在以上結(jié)構(gòu)參數(shù)及電子束參數(shù)下，器件正常工作時(shí)的輸出信號(hào)波形及其頻譜特性。由圖可見，信號(hào)在1.0 ns時(shí)開始起振并迅速增長(zhǎng)，在2.3 ns時(shí)達(dá)到飽和，隨后便保持等幅正弦振蕩。其頻譜特性表明，信號(hào)振蕩頻率約為224 GHz，且模式唯一。

3 結(jié)論

高功率、高頻率微波信號(hào)源是微波技術(shù)領(lǐng)域里一個(gè)方興未艾的研究課題，其兆瓦量級(jí)的輸出功率可用于軍用雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)中。本文通過(guò)仿真模擬的方法對(duì)返波管進(jìn)行了物理設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化。在注入波電壓Um=120 kV、引導(dǎo)磁場(chǎng)B=4.0 T條件下，獲得了頻率224 GHz、功率4.8 MW的信號(hào)輸出。

圖4 振蕩器輸出特性隨工作參數(shù)的變化情況

圖5 微波信號(hào)的時(shí)域波形及其頻譜特性

[1] Benford J, Swegle J,Schamiloglu E.High power microwaves [M], 2nd edition,New York:Taylor & Francis, 2007.

[2] Barker R J, Schamiloglu E.High power microwave Sources and Technologies[M],IEEE Press,New York, 2001

[3] 廖復(fù)疆.微型真空電子器件和太赫茲輻射源技術(shù)進(jìn)展[J].電子學(xué)報(bào)，2003，31(9)：1361-1364.

[4] D. Dragoman and M. Dragoman, “Terahertz fields and applications,” Prog. Quant. Electron., vol. 28, pp.1-66, February 2004.

[5] A. N. Vlasov, A. G. Shkvarunets, J. C. Rodgers, et al., “Overmoded GW-Class surface-wave microwave oscillator,” IEEE Trans. Plasma. Sci., vol.28, pp.550-560, June 2000.

[6] 李永東，王洪廣，劉純亮，張殿輝，王建國(guó)，王玥.高功率微波器件2.5維通用粒子模擬軟件—尤普[J].強(qiáng)激光與粒子束，2009，21（12）：1866-1870.