四腔強流相對論速調管中高次模振蕩的抑制
描述了在四腔強流相對論速調管模擬設計過(guò)程中出現的由于腔間耦合產(chǎn)生的高次模振蕩現象，分析了這種振蕩產(chǎn)生的原因，并從整管結果上探索了抑制這種高次模振蕩的方法。利用MAGIC模擬軟件，通過(guò)研究諧振腔Q 值、漂移管長(cháng)度、以及束波互作用程度等參數的變化對腔間耦合的影響，在極小程度降低輸出微波功率的情況，有效抑制了腔間耦合。最終在功率10kW、頻率2.88GHz的注入微波激勵下，獲得了功率3.7GW、效率22%、增益56dB且頻譜純的輸出微波，有效抑制了高次模振蕩。
近年來(lái)，高功率微波(HPM)器件發(fā)展非常迅速。速調管的高功率、高效率、高穩定性等優(yōu)點(diǎn)使其在HPM 器件發(fā)展過(guò)程中，得到了廣泛的研究和應用。然而強流相對論速調管中，由于其束流強度較大，常常會(huì )出現自激振蕩現象。自激振蕩不僅會(huì )影響速調管的效率和增益，嚴重時(shí)還會(huì )導致器件無(wú)法正常工作。產(chǎn)生自激振蕩的機理主要有三種：?jiǎn)吻徽袷�，電子回流，腔間耦合。本文研究的是如何抑制在四腔強流相對論速調管的模擬設計過(guò)程中出現腔間耦合引起的自激振蕩。在探索抑制腔間耦合引起高次模振蕩的過(guò)程中，文獻通過(guò)在速調管諧振腔內噴涂吸波材料來(lái)減低振蕩模式的有載品質(zhì)因子從而實(shí)現高次模振蕩;文獻通過(guò)在主諧振腔外接吸收腔的方法來(lái)抑制高次模的振蕩。以上消
除高次模振蕩的方法均對輸出微波功率的影響較大。本文通過(guò)改變四腔強流相對論速調管結構并添加適當的吸波材料，在高增益的情況下有效抑制由于腔間耦合產(chǎn)生的高次模振蕩。
1、相對論速調管放大器中腔間耦合現象
在對四腔強流相對論速調管進(jìn)行整管模擬過(guò)程中(整管結構圖如圖1所示)，出現了如圖2所示的脈沖縮短現象。圖2中在計算時(shí)間小于150ns時(shí)，輸出微波包絡(luò )平坦，但當計算時(shí)間超過(guò)150ns時(shí)，輸出微波功率下降并出現了波形抖動(dòng)現象。觀(guān)察粒子的相空間(圖3)，沒(méi)有發(fā)現電子回流，且各諧振腔結構參數的選擇也保證了諧振腔不會(huì )產(chǎn)生單腔振蕩，因此可以排除電子回流或單腔振蕩。
觀(guān)察各諧振腔間隙電壓的頻譜圖(圖4)，發(fā)現兩個(gè)中間腔以及輸出腔均存在幅值基�？杀葦M的5.76GHz高次模。而且整管的軸向電場(chǎng)分布圖(圖5)中，第二、三段漂移管中存在明顯的TM01模電場(chǎng)的傳輸。漂移管半徑Rd1=2.4cm，其對圓波導中TM01模的截止頻率為4.78GHz;當速調管的漂移管半徑Rd2=2.2cm，其對圓波導中TM01模的截止頻率為5.20GHz，也就是說(shuō)漂移管對5.76GHz的電磁波是不截止的，那么速調管中存在由于腔間耦合產(chǎn)生的高次模振蕩。
圖1 速調管整管結構圖 圖2 輸出功率包絡(luò )圖 圖3 粒子的相空間圖
圖4 第一個(gè)中間諧振腔、第二個(gè)中間諧振腔和輸出腔的間隙電壓頻譜圖
結論
通過(guò)采用2.5維粒子模擬(PIC)軟件對注入微波功率為10kW、頻率為2.88GHz的強流相對論速調管(IRKA)進(jìn)行模擬，并從整管上分析了各參數對高次模振蕩的影響。通過(guò)不斷的優(yōu)化調節，模擬得到了3.74GW 的輸出微波，效率達到22%，增益56dB，進(jìn)一步加深了對強流相對論速調管束波互作用的認識。
