磁绝缘线振荡系统的高频结构

磁绝缘线振荡系统的高频结构

1milo的高频结构复杂和功能不单一1987年，mc-clark等人首次提出了磁极扰动（milo）。该装置在l段产生了3g以上的微波输出，单个脉冲波能量超过500j。这是世界上单脉冲能量最高的微波装置。MILO是利用其束流产生的自磁场来实现绝缘,属于工作在强非线性区的低阻抗M型正交场器件,其工作原理较行波管等O型线性器件更为复杂。对其实验现象的理解、分析和结构的设计,更多地是依赖于质点网格法(Particalincell,PIC)粒子模拟,即多集中在描述波束相互作用的热腔分析上。但是任何高功率微波器件,即使工作在强空间电荷效应状态,其冷腔高频电磁结构的设计好坏仍然决定成败,其参数的选取直接关系到器件能否正常工作。对MILO而言,情况更是如此,其高频电磁结构――同轴慢波结构是MILO的核心部分,其功能有三:1)前端扼流腔阻止微波功率向驱动电功率输入端泄漏,减少微波起振时间;2)中间互作用腔实现稳定高效的束波能量转换;3)后端由叶片和电子收集极共同构成的抽取腔实现微波的模式变换和功率输出。MILO的正常工作模式为其高频结构TM001模的π模或近π模,其微波能量的抽取是依靠边缘场的耦合而不是通过波的传播来完成的。可见MILO的高频结构复杂,而且功能不单一,从而使冷腔设计增加了难度。本文研究了L波段硬管MILO的冷腔设计问题,利用电磁场程序对其本征模、品质因数、传输增益等冷腔的重要参数进行计算和讨论,希望能为以后的实验和理论研究提供依据和参考。2本征模电场场场形式图1是L波段硬管MILO示意图,其基本结构参数参见文献。首先利用二维半全电磁粒子模拟程序对其本征模式进行计算(如图2所示),图2(a)、(b)分别是其对应的封闭腔和开放腔的频率为1.20GHz的本征模电场场形分布图。由图可见,三个互作用腔中场的相位正好相差180°,图2(c)是其矢量场分布图,可以更清楚地看出,相邻腔内的矢量场箭头方向相反,因此认为频率为1.20GHz的本征模正是我们所关心的本征π模。3硬管milo的品质因数腔体的品质因数是高功率微波器件冷腔设计的重要参数,它关系到器件能否正常起振以及产生微波的提取情况,系统的品质因数(有载品质因数)由金属壁耗散的品质因数和提取的品质因数两部分组成,即式中:QL为系统总的品质因数,即有载品质因数,1Q为壁耗品质因数,Q2为提取品质因数。MILO品质因数的设计尤为复杂,要综合考虑起振、抽取两方面的影响。Q值太大有利于微波起振但有可能不利于微波抽取,相反Q值太小可能对抽取有利但不利于微波起振。以下分别计算了采用不同金属材料的L波段硬管MILO封闭腔和开放腔的品质因数:(1)金属材料取铜,L波段硬管MILO的品质因数对于开放腔而言,其品质因数分为壁耗和提取两部分,系统的品质因数即有载品质因数应该由这两部分确定。图3(a)是当金属壁的材料为铜时封闭腔的品质因数Q值,约为11500;图3(b)是当金属壁的材料为铜时开放腔的壁耗品质因数,约为11700,比封闭腔的略大;图3(c)是其提取的品质因数,为82;图3(d)是系统的有载品质因数QL,为81.6。可见,当金属壁的材料为铜时,其壁耗基本可以忽略,其有载品质因数基本等于提取品质因数。(2)金属材料取不锈钢,L波段硬管MILO的品质因数图4(a)是当金属壁的材料为不锈钢时封闭腔的品质因数,约为1740;图4(b)是当金属壁的材料为不锈钢时开放腔的壁耗品质因数,约为1774,比封闭腔的略大;图4(c)是其提取的品质因数Q值,为82.9;图4(d)是系统的有载品质因数QL,为79。比较两种不同金属材料的MILO的品质因数,铜的壁耗品质因数远大于不锈钢的,其系统的有载品质因数也大,但提取的品质因数要小,所以当金属壁材料取铜时腔壁消耗的能量低,微波起振快,但微波抽取情况较不锈钢的要差。因此,实验中采用何种材料要由具体条件确定,如果脉冲功率源提供的电压脉冲波形较差,为保证器件能正常起振,应选用铜。而在能保证正常起振的情况下,选用不锈钢更有利于微波的抽取。4互作用腔处微波产生处传输增益我们所关注的是频率为1.20GHz的本征π模场的传输特性,用冷腔激励,观测其在各个位置(输入口、轭流腔、互作用腔、输出口)的传输增益。图5(a)(图中点所在的位置)是输入口处的传输增益,其值为-3.40dB,图5(b)为在轭流片处的传输增益,为3.12dB,图5(c)、(d)、(e)分别为在第一、二、三个互作用腔处的传输增益,其值分别为28.12dB,23.60dB,16.93dB,图5(f)为在输出口处的传输增益,为14.40dB。由以上可得,互作用腔处(微波产生处)增益较高,能实现稳定高效的束波能量转换;轭流腔和输入口处增益很低,说明微波漏失很少,轭流片设计较好,确实起到了阻塞作用,可减少微波起振时间,有利于微波起振和输出;输出口处增益也较高,说明输出腔设计较好,微波能顺利传输。5参数设计分析对L波段硬管MILO的冷腔进行了研究,利用电磁场程序对其本征模、品质因数、传输增益等冷腔设计的重要参数进行计算,通过分析得出L波段硬管MILO高频电磁结构的设计合理:前端扼