渐变段倾角对渐变复合腔特性影响的分析new

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1、第18卷第5期强激光与粒子束Vol.18,No.52006年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,2006文章编号:1001-4322(2006)05-0859-03渐变段倾角对渐变复合腔特性影响的分析*喻胜,李宏福,牛新建(电子科技大学物理电子学院,成都610054)摘要:利用模式耦合理论,在考虑多模耦合的情况下,对渐变结构复合腔进行了冷腔分析,计算了H51-H52模式对下,各个模式的耦合及场幅值分布情况,分析了渐变段的倾角对渐变复合腔的Q值及场幅值分布的影响。研究表明:渐变段

2、的倾角对渐变结构复合腔的高频特性有很大的影响,特别是各模式的场分布及Q值,合适地选择渐变角度,能使场幅值放大率比较大,这将有利于提高注-波互作用效率。关键词:渐变结构复合腔;渐变段倾角;Q值;模式耦合中图分类号:TN129文献标识码:A新型大功率毫米波、亚毫米波器件回旋管在国际上一直得到高度重视与蓬勃发展,采用高次谐波降低回旋管的工作磁场,是回旋管的一个重要发展方向。高次谐波回旋管效率难以提高且模式竞争问题严重,渐变复合腔结构是解决此问题的一种方案,复合腔回旋管的研究也受到国内外学者的极大重视。渐变复合腔,通过其

3、渐变段的模式耦合,而使腔内模式锁定为一对模式对H,从而抑制了其他模式,有利于解决模式竞争问mn-Hmn'题。选择适当的渐变段亦成为渐变复合腔设计的重要环节,目前相关的分析报道还很少。本文利用耦合模理论,在考虑多模共存且相互耦合的情况下,对渐变复合腔进行了冷腔分析,计算了H模式对下,各个模式51-H52的耦合及场幅值分布情况,分析了渐变段的倾角对渐变复合腔的Q值及场幅值分布的影响。利用该分析方法,对8mm波段及3mm波段的渐变复合腔回旋管进行了高频分析与设计,为渐变复合腔回旋管的设计与研[1-3]制提供了参考依据。

4、1模式耦合理论本文所研究的注-波互作用腔如图1所示,是渐变结构复合腔,第Ⅰ与第Ⅱ小腔之间通过腔半径渐变来连接以构成复合谐振腔,这种腔有利于克服模式竞争,并能提高互作用效率。设计合适的腔体结构尺寸,当m≠0时,可使腔在工作频带内有单一的Hmn1-Hmn'1工作模式对,且各模式的幅值分布与腔体的结构尺寸密切相关。腔中的场可分解为横向场E,H与纵向场E,H两个部分,横向场可表ttzz示为2(i)(i)=Et=ΣΣVmn(z)emn(r,φ)i=1mn(1)<2Fig.1Complexcavitywithgradualt

5、ransition(i)(i)图1渐变结构复合腔=Ht=ΣΣImn(z)hmn(r,φ)i=1mn(i)(i)式中:V表驻波电场幅值沿z的分布;I表驻波磁场幅值沿z的分布;求和号Σ包括腔中一切可能存在的模mnmnmn(i)(i)式;e,h为对应均匀波导mn模的电场与磁场正交归一化矢量波函数,上标i=1,2分别表示电波与磁波模,mnmn(i)[5]详见文献[4]。由传输线方程,可得到关于V(z)的二阶微分方程(耦合波方程)mn2(i)(i)(i))(i)dVmn(i))2(i)d(lnZmnγmndVmn1da(i

6、')(i)(i')2=(γmnVmn+{-ΣΣVmn'C(mn)(mn')}+dzdzdzadzi'mn'(i')(i)(i')(i)(i)1daC(mn')(mn)dVmn'1da(i")(i')(i")ZmnγmnΣΣ(i')(i'){-+ΣΣVmn"C(mn')(mn")}+adzi'mn'Zmn'γmn'dzadzi"mn"*收稿日期:2006-04-18;修订日期:2006-04-25基金项目:国防科技基础研究基金资助课题作者简介:喻胜(1970-),男,副教授,博士,主要从事相对论电子学、回旋器件研究

7、;yush@uestc.edu.cn。860强激光与粒子束第18卷(i')221dadVmn'(i)(i')1da1da(i')(i)(i')ΣΣC(mn)(mn')+2-ΣΣVmn'C(mn)(mn')(2)adzi'mn'dz[adz(adz)]i'mn'(i)(1)(1)式中:a为波导半径;da/dz为波导半径随轴向z的变化率;Z为相应波型的波阻抗,对电波Z/jωε,对mnmn=γmn磁波Z(2)/γ(2);γ(i)为mn模式的电波(i=1)或磁波(i=2)沿z向的传播因子,(γ(i))2(i))22;mn

8、=jωµmnmnmn=(kcmn-k(i)(i')C(mn)(mn')表示mn'模与mn模的耦合系数。腔中存在的电磁场在复合腔的入口及出口处,分别满足向外辐射的条件(2)dVmn(z)(2)(2)=-γmnVmn(z)=0dz(3)<(i)dVmn(z)(i)(i)Σ+γmnVmn(z)=0dz=mn由式(2)可知,当da/dz=0时,各模式之间不发生耦合,只有当da/d