基于同轴TM812模谐振腔的毫米波多注速调管

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1、第21卷第8期强激光与粒子束Vo1．21，NO．82009年8月HIGHPoWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug．，2009文章编号：1001—4322(2009)08—1187—07基于同轴TM8。2模谐振腔的毫米波多注速调管高忠贵，林福民(1．汕头大学物理系，广东汕头515063；2．广东工业大学物理与光电工程学院，广州510006)摘要：研究了群聚电子注穿越同轴TMs模谐振腔的换能效率和同轴TM。模谐振腔中微波能量的提取方法，论证了其作为毫米波多注速调管的输出腔的可行性。研究结果表明：理想群聚电子注穿越同轴TMs-z模谐振腔的换能效率可达3．29，

2、一般群聚电子注穿越同轴TM模谐振腔的换能效率可达1．86；采用同轴TMsz模谐振腔与沿轴向的同轴线耦合可以实现微波能量的提取；在输出腔工作频率为100．945GHz，外观品质因数为2243情形下，根据估算，最大输出功率可达15kw。关键词：同轴TM。。模谐振腔；毫米波；多注速调管；群聚；同轴线输出电路中图分类号：TN122文献标志码：A大功率毫米波源对工农业、医疗等领域的重要性日趋突出。目前，全固态毫米波源的发射功率仍然受到极大制约，大功率毫米波源仍然采用真空电子器件，如行波管、速调行波管和回旋管等。然而，在毫米和亚毫米波段，传统的行波管和速调行波管的结构尺寸非常小，输出

3、功率难以提高。以电子回旋受激辐射为机理的回旋器件则由于突破了缩尺效应的限制而成了各国竞相研发的主要大功率毫米波源_1]，但是，其工作于一次谐波时需要非常强大的轴向磁场，若采用高次谐波来降低所需的磁场则模式竞争加剧，从而导致效率、增益、带宽和稳定性等重要性能明显变差，而且设计和加工非常困难，造价也极高。单注速调管由于结构简单、造价低廉、效率和输出功率高等特点而倍受欢迎，但由于缩尺效应的限制，在高射频段，其效率随着频率上升而急剧下降。虽然多注速调管]在低射频段能明显提高效率和带宽，并降低了工作电压，但高射频段效率也开始急剧下降。究其原因，速调管中，注波耦合系数和效率随着互作用

4、间隙的渡越角增大而下降，一般要求该渡越角小于0．8丌，否则耦合系数接近零或为负值，从而导致速调管工作不稳定。在渡越角受到限制的情况下，注波互作用间隙的宽度与频率成反比，在毫米和亚毫米波段，注波互作用问隙的宽度将小于1mm，这样输出腔中将很容易出现强电场击穿。虽然有报道称俄罗斯学者利用群聚电流中的高次谐波研制了双腔速调管倍频器，在实验室条件下获得波长为0．4mm的THz波输出，但其输出功率不超过几百mW[。为了克服传统速调管在毫米波段注波互作用间隙宽度太小，无法提高输出功率的困难，我们提出了采用同轴TM(s一1，2，3，⋯)模谐振腔作为毫米波多注速调管的高频谐振腔的设想，这

5、样注波互作用问隙的宽度将可以提高S倍，同时也增大了谐振腔的横截面，有利于增大工作电流和工作电压，从而大幅提高输出功率。本文将围绕注波互作用效率、能量的提取、整管设计等关键问题，详细论述基于同轴TM模谐振腔的毫米波多注速调管的可行性。l理想群聚电子注在同轴TM模谐振腔中的换能效率在速调管中，理想群聚的直线型电子注穿过输出腔犹如重复周期与微波场相同的群聚电子块穿过输出腔，每一个紧密群聚的电子块可以近似为一个带电粒子，因此，理想群聚电子注与输出腔中电磁波的注波互作用效率近似等于一个带电粒子(或者单个电子)穿过输出腔时的换能效率。本文将采用单电子近似方法对同轴TM模谐振腔中注波换

6、能效率进行分析。同轴谐振腔中TM模式E处轴向电场与时问和轴的关系由式(1)给出，图1和图2则给出了E处S一2，=z情形轴向电场沿轴的分布示意图。E一Ecos(wt+)cos(p)，一27【厂，J8一s丁c／Z(1)*收稿Et期：2008—09—13；修订日期：2009—0420基金项目：国家自然科学基金项目(60671060)作者简介：高忠贵(1973一)，男，湖南江永人，硕士，从事高功率微波器件研究；g—zg2006@163．cori1。强激光与粒子束第21卷positivedirection———————-+zFig．1Axialelectricfieldonz—ax

7、isofFig．2Axialelectricfieldonz—axisofTMl2modecavityTM12modecavityatdifferentmoment图1TM模腔E处间隙轴向电场沿轴的分布示意图图2不同时刻TM12模腔E处间隙轴向电场式中：厂为腔体内电磁波的谐振频率；z为腔体长度；s一1，2，3，⋯表示E沿z轴在腔长z上的个数；为电子刚进入谐振腔时腔内高频电场的初始相位。质量为、电量为e的电子以初速。进入谐振腔后与腔内的轴向电场发生相互作用，其动力学方程为J2mu—Ate一一一一eEcos(~o+)cos(／3z