一种高功率、高效的微波微波器件的设计

一种高功率、高效的微波微波器件的设计

高功率微波在国内外取得了很大进展，其电力达到了gw水平。随着技术的进步，高功率微波设备呈现出高功率、高效率、高能量、高频率和小规模化的发展趋势。本文在综合了多种高功率微波器件的特点后,提出了一种新的锥形慢波结构波导谐振腔高功率微波源器件,此器件不用外加引导磁场,器件结构如图1所示。并用PIC数值模拟程序模拟计算了其微波频率、微波功率等参数。1pic的数值模拟研究PIC数值模拟程序是等离子体物理研究中行之有效的程序,如同美国的MAGIC和俄罗斯的KARAT程序。为了验证PIC程序作为微波源器件设计时模拟计算程序的适用性,先后对包括行波管、返波管、磁控管、速调管、切仑科夫微波发生器、虚阴极、磁绝缘传输线振荡器(MILO)等器件进行了PIC数值模拟,计算结果与实验结果都符合得较好。要探索新原理,设计新器件,在提出新的器件设想后,需要进行大量的数值模拟。为了节省机时,首先采用上升时间很短的理想的矩形电子束脉冲,在保证数值计算稳定性要求的条件下应用相对较大的空间步长Δx与时间步长Δt及较少的模拟电子数对不同参数的模型进行模拟计算。然后对典型模型采用实际的电子束脉冲,在相对较小的空间步长、时间步长与较多的模拟电子数进行模拟计算,优化器件的结构参数和性能参数,最后对最主要的中心模型进行更细化的计算,从而可以对各种物理图像随时间的演化过程获得更多的了解。2主要结论2.1谐振腔高功率微波源器件计算使用PIC数值模拟程序对图1所示的锥形慢波结构波导谐振腔高功率微波源器件进行了大量的模拟计算,先后计算了6个模型,主要计算结果列于表1。模拟得到的微波频率f=1.6～12GHz,功率Pout达GW。2.2微波功率pout的分布以模型6为例进一步仔细计算。为了使电子束与锥形慢波结构波导谐振腔充分相互作用,采用了靠近锥形慢波结构波导传输的空心电子束。电子束内径为2.5cm,外径为3.0cm。模拟中采用了束流式模型发射电子束,电子束的电流波形和电压波形采用实际波形,见图2所示。图3(a),(b),(c)分别是在t=3.5,35,75ns时电子在腔中的分布图,图3(d),(e),(f)分别是上述三个时刻对应的电子轴向动量pz沿z轴的分布图。图4(a)是在微波输出窗处的能流(Poynting矢量)随时间的变化图,经谐波分析后可得微波功率Pout为0.8GW。图4(b),(c)是在腔中靠近锥形慢波结构壁处的径向电场Er随时间的变化图及其频谱图,从图可见频率f=10GHz。图5(a,b)是输出功率Pout随电子束电压V、电子束电流I的变化图。当电子束电压V或电子束电流I发生变化时,微波频率不因电流或电压变化而变化,始终保持f=10GHz,这是由于共振腔具有锁频的特性。图6给出微波频率随慢波结构叶片内径rin、叶片高度h与慢波结构周期长度l的变化图。3milo的发展从图4可以清楚地看出:开始时腔中电磁场为零,电子束进入锥形慢波结构波导谐振腔后,腔中很快产生电磁场,但初始时几乎没有交变分量,只有直流成份。电磁场很弱时,电子束脉冲中的电子以初速v0轴向飞行,见图3(a,d)所示。当腔中电磁场逐渐增强时,电子受到的洛仑兹力也逐渐增强,径向逐渐发散,电子束也逐渐得到调制,见图3(b,e)所示,电磁波指数增长,束波互作用强度也指数增长,电子束将能量转化成电磁场能的同时也得到强烈的调制,形成周期性的轮辐结构,见图3(c,f)所示。如果用电子束脉冲为矩形脉冲模拟,腔中的电磁场饱和以后,电子束脉冲中的电子与腔中饱和电磁场的相互作用将维持稳定的腔中饱和电磁场强和稳定的微波输出。实际的电子束脉冲一般为非矩形脉冲,如果它的上升沿较缓慢,则腔中电磁场及微波输出功率将随电子束脉冲上升而上升,随电子束脉冲下降而下降。如果它的上升沿较陡而脉宽不够宽时,在电子束脉冲的电流、电子能量均达到峰值时,腔中电磁场及输出微波都还未饱和,以后的电子束脉冲的电流、电子能量将开始下降,但此时腔中的电磁场值已达足够强,束波相互作用还可以使电磁场继续增强。此过程维持一段时间以后,随着电子束脉冲的电流、电子能量进一步下降,束波相互作用强度便开始下降,腔中电磁场及微波输出功率也随之下降。由于腔中电磁场到达峰值的时间迟后于电子束脉冲的电流、电子能量到达峰值的时间,所以在同样的击穿场强限制下,脉宽不够宽的非矩形电子束脉冲的峰值电流、峰值电子能量值允许高于、也需要高于脉宽较宽的矩形脉冲的电子束电流和能量值。电场有轴向分量Ez及径向分量Er,角向分量Eθ为零,而磁场只有角向磁感应强度Bθ一个分量,腔中电磁场为TM01模。本器件与JamesW.Eastwood等人的TaperedMILO有不少相似之处:采用渐变呈锥形的慢波结构,采用同轴轴向输出。但是圆柱形MILO的中心是半径为几厘米的阴极,外部是慢波结构,中间需要几个厘米的间隙。因此外壁半径达十几厘米。MILO的微波频率低,只能是1GHz左右。MILO需要内部电流提供直流磁场,因此MILO的效率不可能很高。本器件采用环形空心电子束从圆柱的一端输入,不要中心阴极圆柱体,器件外径可以只有几个厘米,器件体积小,因此器件的频率可以高达十几吉赫兹。另一方面,紧靠慢波结构叶片轴向飞行的空心电子束,可以与叶片径向排列的慢波结构充分地发生相互作用,器件必然效率高,也易起振。如文献所述,叶片内径逐渐增大的锥形慢波结构可以使微波充分地放大,较大的轴向群速度决定了微波的轴向输出要比径向输出容易得多。综上所述,自然可以期望本器件功率高,效率高,频率高,体积小,重量轻。一般的行波管,返波管轴向长度都较长(几十厘米,甚至更长),都需要外加轴向引导磁场引导电子束轴向传输及径向偏转,因此器件体积大,重量重,结构复杂。从数值模拟结果看,对于能量为0.1～1MeV的电子束,将本器件轴向长度缩短至10～30cm时,不用外加轴向引导磁场,只要电子束能量与器件轴向长度匹配得合适(电子束能量大,与之匹配的器件长度长),电子束还是能得到很好的传输,尽管开始阶段,腔中电磁场较弱时,电子束在传输过程中要径向发散,但是场强饱和前后束波的强烈相互作用,使电子束得到强烈调制与群聚,电子束也可以很好地传输,同时可以大量发射微波。电子束与电磁场相互作用,产生电磁能。而电磁波从输出口输出,使腔中电磁能减少。只有使电磁能增加部分大于损失部分,器件才能起振,当器件外径大于5～6cm时,在输出端加了一个金属盘,可以用它来调节输出窗的大小,以便保证在开始阶段腔中电磁场强能够指数增长。器件的设计不仅必须保证起振,而且电磁场强的增长速度也必须足够快,使得电磁场强能在几十纳秒之内