1　具有谐振反射腔的双波段RBWO物理结构

　　器件的结构如图1所示,它由导引磁场螺线管、环形阴极、阳极、谐振反射腔,X波段盘荷结构、过渡段、C段盘荷结构、电子束收集极等组成。该模型采用谐振反射腔[7-9]代替截止颈有两方面的考虑:第一,使TM01波截止的截止颈半径须满足R<λ/2.62,频率越高,截止颈半径越小,在一定程度上限制了器件的功率容量;第二,如果采用截止颈,当两个波段的频率差距比较大时,二者慢波结构的径向尺寸差别也较大,因此不得不使用如图2(a)所示的磁力线位形才能完成有效的束波作用,而这样的磁力线位形必须依靠两段螺线管线圈来实现。在图2(a)中,前后两段螺线管线圈中的电流方向相同,因而中间区域轴向磁场方向相同、径向磁场方向相反,对应的轴向磁场分布曲线如图2(b)所示,可以看出前一段磁场大于后一段磁场,这样势必增加了器件的成本,也给实验带来一定困难。与图2中的模型相比,图1中谐振反射腔的使用不仅有效地实现了截止颈的作用,简化了外加磁场,同时使X段所需的导引磁场减小。

　　2　粒子模拟研究

　　应用Karat软件对图1中的物理结构进行2.5维全电磁粒子数值模拟,所采用的二极管电压为1 MV,电子束流为8 kA,导引磁场为3 T,图3所示为60 ns时典型的粒子模拟结果。

　　从电子束相空间图3(a)可以看出,电子束在两段慢波结构都得到了有效地调制;轴向电流图3(b)表明了电子束群聚块的空间分布,可以看出群聚块中心轴向间距在两段盘荷结构区各不相同,在X波段盘荷区较小,在C波段盘荷区较大,这与两个波段的微波波长相对应,进一步说明该结构中两个频率的微波被同时激励。图3(c)和图3(d)分别为饱和后的输出功率随时间的变化曲线及其频谱,功率稳定,频谱清晰,两个频点分别为5.42 GHz和9.58 GHz,功率效率约15%。图3(e)和图3(f)分别为输出功率波形及其频谱,输出模式为TEM模,平均功率为1.08 GW,两个频率对应的频谱幅度差约为2.17 dB。

　　3　讨　论

　　模拟结果表明,同时输出两个波段微波的相对论返波振荡器的功率效率为15%,这比单波段工作的返波振荡器略小,本文从模拟的角度对这种结果进行简单分析。通过模拟发现,适当调整物理结构可使某个波段的振荡很强烈而另外一个波段振荡很弱,即只能输出某一个波段微波的情况,图4(a)和图4(b)为60 ns时分别只输出X波段和C波段微波的功率频谱,但它们的输出效率都要高于同时产生两个波段微波的情况。图4(a)对应的结构中X段的振荡较强烈,且频谱中无法看到C波段的微波分量,而图4(b)采用的模型中,电子束在X段没有明显的调制现象,功率频谱中几乎无法看到X波段的微波分量。这两组模拟结果对比可以得到如下现象:只要X波段振荡过于强烈,C波段微波就无法输出;只要X波段振荡较差,C波段微波就可以高效率的输出。这充分说明当两个波段都正常工作时,电子束在第二段盘荷结构的调制要先破坏其在第一段结构的群聚效果,如果X波段的振荡过于强烈,电子束群聚充分,将会导致电子束很难继续与C波段的慢波结构进行有效的相互作用,因此双波段返波振荡器前后两段慢波结构存在着能量竞争。在进行结构设计时须遵循这样的原则:X波段盘荷片数既要保证有一定的振荡又不宜片数太多[10],否则导致电子束在X波段的群聚过于强烈而无法与C波段的慢波结构进行有效的束波作用。

　　4　结　论

　　本文设计了一种能够同时输出两个波段微波的相对论返波振荡器,采用Karat软件在电压为1 MV,电流为8 kA,导引磁场为3 T的条件下,模拟得到了微波功率为1.08 GW的输出结果,功率效率约15%,频率分别为5.42 GHz和9.58 GHz,两个频率频谱幅度差为2.17 dB,得到了双波段返波振荡器前后两段慢波结构存在着能量竞争的结论,并给出了双波段相对论返波振荡器的一般设计原则。

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　　基金项目:国家高技术发展计划项目

　　作者简介:王　挺(1981—),男,博士研究生,主要从事高功率微波技术研究;wang_ting_x@163.com。

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