34GHzTE02基波回旋速调管设计与模拟中英文版附群聚腔分析与计算.docx

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34GHzTE02基波回旋速调管设计与模拟中英文版附群聚腔分析与计算

34GHz、TE02基波回旋速调管设计与模拟

摘要：

本文对34GHz、TE02基波回旋速调管的输入系统、介质加载高频谐振腔系统进行了理论分析，对该模式的耦合系数和起振电流进行了分析和计算，建立了回旋速调管粒子模拟模型，同时进行了整管设计并通过PIC粒子模拟进一步优化设计，在工作电压70KV，工作电流18A，磁场1.36T，模拟得到输出峰值功率为600KW、带宽400MHz，效率47%，增益30dB的高功率回旋速调放大器，整管工作稳定。

关键字：

回旋速调管；粒子模拟；TE02模，毫米波放大器

1引言

电子回旋脉塞不稳定性于1958-1959年间由Twiss、Schneider、Pantell、Gaponov分别独立地提出以来,以此为基础工作的回旋管的发展已经有近半个世纪了,经过几十年的发展回旋脉塞已发展成一类新型的毫米波、亚毫米波器件,并且已成功用于工程实际[1][2]。

作为高功率的毫米波放大器家族中的重要一员,回旋速调管在理论上已经得到了较为深入的研究，电子科大TE01模的回旋速调管也达到了300KW的峰值功率，其应用的范围也将十分广泛.它已经被用于高分辨雷达、材料处理以及高能粒子加速器等实验装置中。

本文对TE02模基波回旋速调管进行了理论分析及粒子模拟,功率容量的增加有望将回旋速调管的峰值功率提高到500KW以上，使回旋速调管向更高功率方向发展。

该研究对大功率回旋器件的理论分析、工程设计及实验研究具有重要意义。

2．理论分析与设计

TE02基波回旋速调放大器模型如图1所示，回旋电子注如图2所示。

四腔的选择有利于增加回旋速调管的带宽。

电子枪为双阳极磁控电子枪[3]，提供横纵速度比1.45、速度零散4.5％的高质量回旋电子注。

图1基波回旋速调放大器模型图2回旋电子注

回旋电子注在输入腔受到输入TE02模高频场的调制，逐渐形成电子角向群聚，随后在群聚腔中建立起高频场，加深电子的角向群聚，最后在输出腔和输出行波段进行强烈的注-波互作用，辐射出放大的TE02高功率毫米波。

3.输入枪分析与设计

对TE02基波回旋管,电子回旋脉塞（ECM）谐振条件:

（1）

式中ω谐振腔角频率,为轴向波数,电子漂移速度,为电子回旋角频率,34GHz的TE02基波回旋管工作电压为65KV，工作电流12A，而互作用磁场为1.36T。

对于弱相对论、小回旋、圆柱谐振腔的回旋速调管，其注-波耦合系数为：

（2）

其中s为谐波次数，为截至波数，为电子引导中心半径，为拉莫半径，为s阶贝塞尔函数。

相应模式的耦合系数如图3，可见当时，耦合系数最大，同时竞争模式的耦合系数最大、耦合很强。

通过腔体优化和介质加载可对这些竞争模式进行了有效的抑制。

图3耦合系数与归一化引导中心图4工作模和相应模式色散关系

（rw为谐振腔半径）

输入系统采用矩形波导TE10模式输入,在外同轴谐振腔内激励起TE811模式,然后经四条狭缝在内圆柱谐振腔中建立起TE021的工作模式。

图5输入腔结构图

对内圆柱谐振腔两端的突变结构应用场匹配分析方法[4],求得两端的复反射系数，如图6，其模为幅值反射系数，幅角为两端反射相移θ1、θ2，反射相移在开孔半径为5mm时有极小，随开孔半径的继续增加，反射相移减小，两端开孔谐振腔的谐振条件为：

（3）

图6内腔反射相移随开孔半径变化曲线图7谐振腔长L与半径r之间的关系

当工作频率为34GHz，谐振腔长L与半径r之间的关系如图7，TE02模在34GHz的截止半径为9.8mm，综合考虑内圆柱谐振腔半径定为10.3mm，则腔长为12.4，开孔半径为5mm。

外同轴谐振腔与内圆柱谐振腔之间的厚度仅为0.3mm，因而外同轴谐振腔的内半径为10.6mm，而外半径增大传播相移也将相应增大，同时谐振腔长度减小，综合考虑耦合效率和模式纯度，外同轴腔外半径将为15mm。

（a）（b）（c）

图8（a）腔体中心破面磁场分布图,（b）腔体中心破面电场分布图,（c）腔体中心破面电场分布图

通过HFSS软件对设计的输入腔进行模拟验证，如图8，有效的抑制了寄生模式的振荡，提高了模式转换效率和纯度，内腔在400MHz范围内能量百分比大于60%，达到了速调管对输入腔带宽的要求，同时由于耦合狭缝对谐振频率的影响，在初步设计时对谐振频率引入了0.4%左右的补偿。

4.低Q高频腔体的设计和分析

根据工作模式和寄生模式场分布特点，在谐振腔和漂移段内加载损耗介质，不仅有效降低Q值，增加带宽，而且抑制了寄生模式振荡，提高了整管工作的稳定性。

同样对介质加载的突变腔体进行场匹配分析[5]，推到出加载损耗介质的圆柱波导m=0时的色散方程：

（3）

（4）

其中、、，,分别为介质内外的相对介电常数,为不包括介质厚度的波导内半径,为包括介质厚度的波导内半径,为传播常数。

其色散曲线如图9，可见加载损耗介质

层后，截止频率消失，在不加载介质时的截止频率以下，相位常数不为0，其有极小值。

同时通过对衰减常数的计算，加载损耗介质对工作模式TE02有利，而寄生模式得到了极大的抑制[4]。

图9介质加载波导的色散曲线

对于介质加载低Q突变谐振腔，同样通过场匹配方法[5][6]，进行初步设计，求解复线性方程组，得到腔体两端开口的反射相移，再通过谐振条件进行腔体设计，然后通过计算机模拟，对设计的腔体进行优化，优化后腔体结构参数见表1。

Q值是低Q谐振腔的关键，谐振腔Q值定义如下：

（5）

式中为谐振角频率,W为腔内储能，为谐振腔的总损耗功

率，腔壁为铜良导体，壁损很小，谐振腔的Q值主要决定于介质的损耗，通过介质的加载有效的降低了谐振腔的Q值，见表1，同时有效的抑制了寄生模式。

为了使回旋速调管能稳定的工作在放大状态，必须保证各个谐振腔中不能有模式起振，腔模的起振电流为[7]：

（6）

其中,

,

,为腔体的Q值。

当值为1.45，磁场为1.36T时，2、3、4腔的起振电流都高于26A，而工作电流小于20A，通过粒子模拟，零驱动的输出功率小于10W，整管工作稳定，没有模式起振的现象。

5．模拟与优化

在文献[3]中对双阳极磁控注入电子枪进行了详细全面的优化设计，在工作电压70KV、电流18A、磁场1.36T，得到了值为1.45、横向速度零散为4.5％的双阳极电子枪，为8毫米回旋管提供了高质量的稳定电子注。

该回旋速调管就采用这一优化的双阳极磁控注入电子枪。

高频系统优化的结构参数如表1，整个高频系统主要包括输入腔、中间群聚腔、输出腔、收集级。

腔体之间由漂移段相连，半径为4.5mm,漂移段中涂有吸收介质层来消除可能传播的电磁波,如TE11,TE21,TM01的截止半径都大于漂移段半径（4.5mm），如果不加入吸收介质,这些低次模式将对整管的稳定性造成破坏,吸收介质的加入能有效的抑制低次模式的振荡,使腔体之间只有电子注与电磁波的耦合，而没有电磁波之间的相互耦合。

在群聚腔中也涂有吸收介质层来降低谐振腔的Q值，在吸收介质材料选定后，通过调整介质的厚度和加载方式来达到Q值的设计要求,由于腔体中横向电场在轴向成正弦驻波分布,因而介质加载于腔体两端电场相对较弱的地方,介质的厚度为0.4mm,漂移段介质的厚度为0.8mm。

系统模拟和后的结构参数

腔体

半径（mm）

腔长（mm）

频率（GHz）

Q

输入腔

10.3

11.0

34.5

240

群聚腔

10.43

10.8

34.2

350

群聚腔

10.32

11.4

34.4

355

输出腔

9.9

14.0

34.3

610

图10为20ns时电子注相位图和TE02模电场分布图，可见电子注在输入腔和中间群聚腔被高频场调制，角向形成群聚，电子将外部电能转换为电子的动能,特别是回旋能量,当调制后的电子注进入输出腔时,强烈的注-波互作用使电子注辐射出放大了的高功率毫米波，最后完成使命的电子打到收集集上，剩余的能量转换为热能。

在经过10ns后高频场、电子空间分布和运动达到稳定，如图11，放大器获得稳定的高频能量输出，输出峰值功率达600KW。

图10（左）20ns时电子注相位图,（右）TE02模电场分布

（a）（b）（c）（d）

图11（a）20ns时电子注相空间图,（b）输出端面上的输出功率

（c）电子角向动量图（d）输出腔电场频谱

6.结论

本文对34GHz、TE02模基波回旋速调放大器进行了深入研究，在此基础上进行了计算和PIC的粒子模拟，通过对输入腔的优化，提高了耦合效率，使输入腔的带宽达到400MHz。

采用高频系统介质加载，降低了谐振腔Q值，抑制了竞争模式，得到了峰值功率600KW、带宽300MHz、增益30dB、效率为47%、稳定、可靠的高功率8毫米基波回旋速调放大器。

参考文献:

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