圆极化行波管的研究

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1、圆极化行波管的研究许雄*魏彦玉刘文星赵国庆路志刚王文祥宫玉彬电子科技大学大功率微波电真空器件技术国防科技重点实验室，成都610054摘要：介绍了一•种基于非传统微波电子学原理的圆极化行波管，其工作原理是建立在电子束横向波为圆极化行波相互作用的基础Z上。分析了适合传输圆极化行波的螺旋双梳齿慢波结构的色散特性，并由此给出器件的匚作电参数，而后对其进行粒子模拟。研究结果显示圆极化行波管能有效地放大微波信号,是一种有潜力的微波器件。关键词：圜极化行波管，电子朿横向波，螺旋双梳齿，色散特性，粒子模拟1、引言

2、圆极化行波管这个名称是莫斯科大学的Vanke教授于1996年在IEEE的等离子体科学国际会议上首次提出的，其英文全称为circularlypolarizedtravelingwavetube,缩写为CPTWT［1］。它不同于传统的基于慢空间电荷波与慢电磁波相互作用的行波管,而是电子束横向波与慢波结构屮的

3、员］极化行波相互作用的结果。斯坦福大学的Sicgman于1960年首先对细电子朿上可传播四种横向波进行了理论研究［2］。Z后，莫斯科人学的Yuriev等人于1972年设计了第一支圆极化行波管，获得

4、了140W的输出功率和13dB的增益系数［3］。而厉Vanke等人的理论分析表明这种圆极化行波管在输出功率为3・4kW、增益为20dB时，可获得30%-40%的电子效率，且具有良好的线性相频特性［4］,但却无相关的实验报道，而且后续研究也未取得新的进展。国内，则直到2003年才有学者开始关注圆极化行波管，但都未进行深入的研究［5-8］。鉴于理论分析所得的圆极化行波管具有较高的电子效率和良好的线性相频特性，本文将尝试用计算机电磁仿真和粒子模拟的方法，对圆极化行波管进行探索性的研究。2、圆极化行波管的

5、工作原理I员I极化行波管是通过其慢波结构屮的恻极化行波场激励起以电子束为载体的横向波而工作的。恻极化行波场具有空间上呈螺旋连续分布的加速场区和减速场区，如图1所示，行波场的各电场分量之间的关系如图2所示。与传统行波管故大的不同就是圆极化行波管具有圆极化的横向电场分量。图1空间上呈螺旋连续分布的行波场图3横截而上的电子受力悄况Electron图4呈螺旋状的电子束轨迹电子束在横向电场分量和纵向聚焦磁场的共同作用下的受力情况如图3所示。当电子束的纵向速度水受国家自然科学基金(60532010),教育部新

6、世纪优秀人才计划和四川省青年基金(M11010401ZQ026-046)项目资助。作者简介：许雄(1985-),男，博士研究生，主要从事微波管中新型注■波互作用机理的研究；xhxhllO@qq.com.与圆极化行波的相速同步时，其运动轨迹如图4所示，形成横向波动。若不考虑电子束横截而尺寸，则可认为所有的电子都将述入减速场区，从而集体交出部分动能，达到高效率地放大微波信号的目的。3、圆极化行波管的慢波结构圆极化行波管的慢波结构应能传播圆极化行波。目前己被提及的慢波结构共有三种：被研究得最多的螺旋双梳

7、齿［3,8,10］,以及双线螺旋线［9］和双螺旋槽［11］0Vanke等人己对螺旋双梳齿及具变形做了深入的理论分析和数值计算，本文则想用计算机电磁仿真的方法对其进行研究。考虑到后续粒子模拟建模的方便，本文将着觅研究螺旋双梳齿的变形结构，如图5所示。该结构屮的梳齿在横截血上呈扇形形状，而不是矩形形状。图5螺旋双梳齿的变形结构图6螺旋双梳齿的准周期仿真模型表1螺旋双梳齿的仿真参数电子束通道半径44mm外筒半径R34mm梳齿高度h20mm梳齿周期p4mm梳齿间距d3mm螺旋角度a15°厨形角度&30°利

8、川商川电磁仿真软件HFSS建立了如图6的准周期模型，选择文献［10］上的部分数据而设定该模型的各个参数值，列于表1中。经过计算，可得到该结构的色散特性曲线如图7所示。0.750.70-0.650.60-0.55-o050-寻0.45-0.400.35-0.300.25-0.200.15基模高次模式2.02.53.03.54.0f(GHz)图7螺旋双梳齿的色散特性Illi线从图7可看出，该模型在2.2GHz〜3.2GHz频带内具有良好的色散特性，归一化相速比在0.31左右。而在该频带外的高端将因出现

9、钱为强烈的模式竞争问题，会导致器件的带宽受到一定的限制。4、圆极化行波管的粒子模拟考虑到已有的细电子束理论及参考第一支I员I极化行波管的实验数据，利丿IJMAGIC建立了如图8的三个螺旋周期的粒子模拟模型。由梳齿的螺旋角可知，一个螺旋周期包含24个梳齿周期，因此器件模型的互作用长度为288mm。根据螺旋双梳齿的色散特性，可初步设定器件的屮心工作频率为2.8GHz,工作电压为26.5kVo由于同步条件还需要电子束横向波的波长与螺旋周期的长度相等，那么磁感应强度可由fe=ve/l，B=