一种高功率宽带回旋行波放大器

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1、第l5卷第9期强激光与粒子束Vo1．15。No．92003年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep．，2003文章编号：1001—4322(2003)09—0889—06一种高功率宽带回旋行波放大器徐福锴，丁武。(1．中国工程物理研究院研究生部，北京100088，2．北京应用物理与计算数学研究所，北京100088)摘要：研究了一种x波段高功率宽带回旋行波放大器，它由改变了局部周期的矩形盘荷波导组成，并采用锥化引导磁场和盘的高度来提高增益和带宽。分析了器件的线性特性。利用全电磁(PIC)三维模拟程序EMC

2、进行了数值模拟，结果表明：可以得到功率介于88～lO3kw，相对带宽介于l6．63～24．11的不同微波输出。关键词：矩形盘荷波导；周期长度；线性锥化引导磁场；回旋行波放大器中图分类号：TN32．2文献标识码：A由于回旋行波放大器比其他回旋管器件输出带宽较宽，所以在雷达和通信方面有广泛的应用前景。为了提高带宽，人们提出了分布型回旋行波放大器[1和介质填充的回旋行波放大器[3“]，前者是使波导管的色散曲线变缓，后者是使波导管的色散曲线与电子的回旋共振线在相互作用区在一个较大的频率范围内能够保持相切。因为在回旋行波放大器中，实现宽带输出的

3、必要条件是波导管中本征模的色散曲线与电子束的回旋共振线有宽的相交区域，该区域内辐射场的群速度随频率的增加变化缓慢，群速度的大小等于或接近电子束的轴向速度。这样辐射场和电子束能够在较宽的频率范围内保持或接近共振，从而发生有效耦合作用，产生宽带输出。为了达到这一目的，我们必须从波导管的色散曲线着手，采用改变系统局部周期长度、锥化引导磁场和锥化盘高的方法，使得波导管的色散曲线和电子的回旋共振线在较大的频率范围内相切。器件结构如图l所示。TLy———_◆Fig．1Schematicpictureofdisk—loadwaveguidestru

4、cture．(a)isplanformand(b)issideelevationofthesystem图1器件结构示意图．(a)．(b)分别为俯视和侧视图1增益和带宽的线性分析按照文献Is]，这种器件冷结构的色散关系为，0一(￡lJ忌lcos(kn)+k=ksin(k(￡)×i=’。。。N‘-㈤㈤∽])式中F一sin[(忌一k)d／2]／(k一k)一sin[(k+ko．)d／2]／(k+k)(1a)F=sin[(k一是)d／2]／(k一是)一sin[(k+k)d／2]／(k+忌)(1b)k一2mn／d，k一~／，k一(2m一1)~／d

5、，k一~／，二(1c)假定系统受一个增长模TE--统治，求这个模的增益，此时方程(1)变为0一H(忌：，)一一k-lcos(k-(￡)+k-k-sin(k-(￡)×{三旦：F-·()F-·(z)+!璺：F·-()Ft-(z))(2)*收稿日期：2002—10—14，修订日期：2003—05—15基金项目：国防科技基础研究基金资助课题作者简介：徐福锴(1969一)，男，博士研究生，主要从事高功率微波理论研究，E—mail：xufukkay@hotmail．corn．TF噩疆冒疆蚕髓匿■■瞳r890强激光与粒子柬第l5卷令愚二一是二o+q

6、，IqI《I愚二oI，其中，愚二是系统有了电子束后的纵向传播波数，愚二。是冷结构时的纵向传播波数，q是电子束的影响因数。系统有了电子束后的横向波数为Jz”-={[(。lJ_)‘———·。]EI-ji。；：i：：：；：]}‘=—z”。。——cr(3)式中：口一(愚。。／k-。)q+k·。cu：／2(△K—q)；AK—cu／V曲一k-。；cu为波导管中TE模的本征频率为等离子体频率一(，l0／e0)l。因为q和是一个小量，因此a也是一个小量，将(2)式中各项按q和a展开，取一次项，整理、合并得(AK—q)q一一K(4)K。一Kg／Ll(4

7、a)K一兀c4bLl—B／A(4c)A=k’olsin(k0Ⅱ)+[愚-0k-0sin(k-0Ⅱ)+k-0k-0cos(k·0Ⅱ)]·-(4d)B—lcos(k-oa)+k-0l(k·0口)[sin(k-0a)／k-0]+{愚’0[sin(kt0a)／k-0]+愚-0acos(k-0Ⅱ)一k·0sin(k-0Ⅱ)}G-．-一k。ok·0sin(k-0Ⅱ)H--(4e)一每)踟z)(4f)H一等[10()．0()+10(z)．0(+皇毫[F-。()』9，．。()+F．。(z)』9，．。()](4g)多项式(4)有解析解，3个根中有2个根

8、是复数的必要条件为KK+(4／27)(△K)]>0(5)其中有正的虚部的解即是系统的增益，它是电流和频率的函数。在电流一定时，给出不同的频率(其中愚．。和k。由冷结构的色散曲线确定)可以得到Imq随f变化的曲线。行波管的