W波段二次谐波突变复合腔回旋管数值模拟

《W波段二次谐波突变复合腔回旋管数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第21卷第3期强激光与粒子束Vo1．21，NO．32009年3月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMar．，2009文章编号：1001—4322(2009)03—0407—04W波段二次谐波突变复合腔回旋管数值模拟黄勇。，喻胜，李宏福，牛新建，罗勇，徐勇，王丽，王辉(1．电子科技大学物理电子学院，成都610054；2．装备指挥技术学院信息装备系，北京101416)摘要：通过对二次谐波低电压突变结构复合腔回旋管中谐振腔结构、模式竞争以及电子注一波互作用的研究，分析了高频结构特性、寄生模式的

2、抑制和工作参数优化等问题。给出了3mm二次谐波低损耗TEo／TE。模式回旋管的模拟设计结果。计算采用了坡度磁场，互作用效率得到显著提高。PIC粒子模拟结果表明：在电子注电压25kV、电流4A、纵横速度比1．6、工作磁场1．72T时，回旋管可获得37kW的输出功率，横向运动能量转换效率高达51，器件效率为37。关键词：高功率微波；复合腔；突变结构；回旋管；二次谐波；低电压中图分类号：TN129文献标志码：A在微波武器、毫米波雷达、通信、精确制导、热核聚变的等离子体加热和高能物理等强烈需求的推动下，回旋管的研究在国内

3、外受到重视l】]。谐波工作的回旋管，所要求的磁场强度是基波工作的1／s(S是谐波次数)，工作磁场系统能够得到极大的简化，整管的体积和重量能适用于中等大小的军用直升飞机或车辆等机动平台口]。但是，伴随着谐波次数的增加，模式竞争问题越来越严重；同时要想得到较高的注一波互作用效率也变得更加困难。1979年Pavel’ev和Tsimring提出的复合谐振腔为解决模式竞争和提高效率提供了有效途径]。1984年，Zapevalov等研制出了工作于TE／TE模式对，谐振频率为33GHz的二次谐波回旋管]。1986年，Malyg

4、in等报道了三次谐波渐变结构复合腔回旋管的实验结果，在54GHz获得1O的电子效率]。2004年，M．V．Kartikeyan和E．Borie报道了工作于TE模式的二次谐波回旋管的实验结果，在电压为6O～7OkV条件下，得到30的效率，200kW的输出功率，频率为42GHz_6]。在国内，文献[7—8]报道了工作于TE／TE模式，频率为35GHz的三次谐波回旋管，电子效率为12。文献E9一lo3报道了工作于TE／TE。模式，频率为35GHz的三次谐波回旋管，最高模拟效率超过2O％；通过永磁包装的回旋管得到了147

5、kw的输出功率和1O．29／5的电子效率。文献[12]采用自洽理论模拟计算了一支TE。／TE0。模式的3mm渐变结构复合腔回旋管，工作电压60kV，最高效率达27％。本文研究的突变复合腔第一腔和第二腔通过突变结构相连。首先用动力学理论分析了二次谐波TE。。／TE。。复合腔回旋管的工作特性，设计了高频结构和确定了工作参数，然后通过PIC粒子模拟研究了复合腔回旋管中的电子注一波互作用，给出了3mm二次谐波低电压回旋管互作用电路的模拟结果。O25__l理论分析、＼／_()44用Bessel函数的加法定理把电子运动方程由

6、波导02O轴坐标系变换到引导中心坐标系，可得到代表TE。模式．义

7、

8、。与电子注s次谐波作用强度的耦合系数_】旺盘H一H(r)H(rL)一J(konr)(奄。r)(1)式中：J是Bessel函数．rc，rI_分别是电子注引导中心半OO5径和拉莫尔半径；忌。一／r表示截止波数，是第一＼＼＼类零阶Bessel函数导数(．z)的第个根，r是谐振腔O0020406081O半径。其中，H(r)是与电子注引导中心半径相关的部r?rFig．1Dependenceofthecouplingcoefficiencyonthe分，而H

9、(rIJ)是与电子拉莫尔半径相关的部分。guidingradiusfortheTEoemode根据式(1)，可得到二次谐波互作用耦合系数与电图1TEoz模式的藕合系数与引导中心半径的关系收稿日期：2008—05—22；修订日期：200903—04基金项目：国家高技术发展计划项目作者简介：黄勇(1967一)，男，博士，主要从事高功率微波毫米波技术的研究；yonghuang@uestc．edu．cno408强激光与粒子束第21卷子注引导中心半径的关系，如图1所示。当电子注引导中心半径r一0．44r时，电子注和第一腔中

10、的工作模式T(上标表示谐波数)耦合最强。谐振腔中回旋电子注分别与第一腔和第二腔中的TE。和TE。。模式的非耦合色散关系如图2，3所示，电子注电压为25kV，纵横速度比1．6。从色散关系图可以看出，第一腔中可能的竞争模式有TE和TE，第二腔中可能的竞争模式有TE，TE，TE和T；。复合腔中只存在一个模式对T／TE~[，其它模式对不存在，寄生模式只分别存在于第一腔或第二腔中，