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1、第18卷第6期强激光与粒子束Vol.18,No.62006年6月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJun,2006文章编号:1001-4322(2006)06-0985-05螺旋波纹波导的传输特性*王峨锋,李宏福,李浩,刘迎辉,喻胜,牛新建(电子科技大学高能电子学研究所,成都610054)摘要:根据螺旋波纹波导的传输耦合方程,取输入模式为TE11,由螺旋波纹波导模式耦合规则得到输出模式为TE21,由此给出耦合方程的具体形式。用“迭代法”简化耦合方程,并进行数值分析,得到了波导波纹周期对传输特性的影响;利用简化后耦合方程解
2、的解析式计算了螺旋波纹波导工作模式中各场幅值的比例关系。计算结果表明:在工作频段内螺旋波纹波导中场结构是一种混合模,以TE21模为主,其群速基本接近常数,可以和电子注在很宽的频带内产生互作用,为注波互作用的计算提供了依据。关键词:螺旋波纹波导;耦合波方程;本征模式;线性组合;幅值比例中图分类号:TN129文献标识码:A[1-2][3]在回旋管家族中,回旋行波管是一种新型大功率毫米波器件,其特点是峰值功率高,频带宽,受到人们的高度重视。其中的互作用高频系统,不仅决定了电子注和工作模式的作用效率,还决定着工作的频带,因此高频系统的研究对于整个微波系统
3、的特性乃至正常工作都有重要的意义。回旋行波管最基本的互作用高频[4]系统结构是一段光滑波导,为了增加带宽,人们提出了采用渐变波导结构和渐变磁场的结构系统。为了减少管子自激振荡的发生,文献[5]采用了代替起切断作用集中衰减的具有分布壁损耗二级互作用圆波导的结构作为回旋行波管的高频系统。对于抑制回旋行波管的模式竞争,提高互作用效率,降低工作电压比较有效的是电[6-8]子科技大学回旋管课题组采用沿传输方向内开槽波导结构的高频系统。螺旋波纹波导(图1)是G.Den-[9-11]isov等人提出的一种新型的回旋行波管的高频结构,该结构通过改变波导的色散特性
4、,使电子注和工作模式发生有效的作用,不仅能增强互作用效率和频带宽度,还能大大降低对速度的敏感性以及增加抑制模式竞争的能力。文献[12]分析了螺旋波纹波导的传输方程、模式耦合规则及色散特性,并阐述了把这种波导作为高频系统的回旋行波管的作用机理和优越性。对于注波互作用的分析不仅要知道与电子注作用的波场的结构,还要知道波场的初量值,因此本文将从文献[12]的Fig.1Spiralcorrugatedwaveguide结论出发,对耦合波方程进行数值计算,得出螺旋波纹波导的模式耦图1螺旋波纹波导结构图合特性和本征模中工作模式与输入模式之间场幅值的关系。1基
5、本方程及理论分析1.1螺旋波纹波导的耦合方程在柱坐标系统下螺旋波纹波导的边界条件为h(φ,z)=a1cos(mhφ+khz)+a0(1)式中:a为波导平均直径;a为波纹幅度;m为波导螺纹的角向变化次数;k/d,d为波纹周期。01hh=2π[13-14][12]由阻抗微扰法可以得出螺旋波纹波导的行波耦合方程组d++(i)±(n)+jkz-jkz=Ai=-jkziAi-jσ(Aneh+Akeh)dzd++(n)+(i)+-jkzAn=-jkznAn-jσ(Aieh)(2)6、i)+(n)(i)-(n)式中:j为虚数单位;σ表示第n个正向波和第i个正向波的耦合系数;σ表示第n个反向波和第i个正*收稿日期:2005-06-13;修订日期:2006-04-25基金项目:大功率微波电真空器件技术国防重点实验室基金资助课题;电子科技大学青年基金资助课题作者简介:王峨锋(1968-),男,博士研究生,主要从事从事高功率微波回旋器件的研究工作;zhuwang9428@sina.com。986强激光与粒子束第18卷(i)+(n)向波的耦合系数(σ中的‘+’表示正向波,‘-’表示反向波),以此类推222(k2)222(k2)(i)±(
7、n)1µiµk+a0mimnci±khkzia1;σ(n)±(i)1µiµn+a0mimncn±khkzna1(3)σ=2[2222]a3=2[2222]a3ヘkzikznヘµi-miヘµn-mn0ヘkzikznヘµi-miヘµn-mn0式中:k为第i个波的截止波数,k/a,k/a,其中,为第m阶函数导数非零根,m,±1,±2,cici=µci0cn=µcn0µciii=0取正值和负值分别代表右旋波和左旋波。同时耦合波方程组(2)须满足条件mi-mn=±mh(4)[12]即螺旋波纹波导中模式的耦合要满足模式间角向变化数的差值为螺纹角向变化次数的条
8、件,±m前面的h±jkz正负号和(2)式中eh中的正负号对应。方程组(2)描述的螺旋波纹波导模型为:选取波导螺纹的角向变化次数mh为3,
