Ka波段螺紋波導回旋行波管大回旋電子槍的研究與設計

行波管 唐勇 電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院

　　從拉氏方程出發(fā)，推導了大回旋電子槍(CUSP) 的理論，得到了用于Ka 波段螺紋波導回旋行波管大回旋電子槍的基本參數。通過(guò)CST-Particle Stuido 3D 粒子模擬軟件，分析了不同參數對大回旋電子槍橫縱速度比、速度離散的影響，理論計算與粒子模擬結果相互吻合。研究發(fā)現，影響大回旋電子注質(zhì)量的主要因素是陰極所處的位置，所以文中重點(diǎn)分析了陰極裝配誤差對電子注質(zhì)量帶來(lái)的影響。通過(guò)將理論與仿真設計相結合，最終得到一種工作電壓70 kV，電流5 A，速度比1.0 的大回旋電子槍?zhuān)瑵M(mǎn)足Ka 波段螺紋波導回旋行波管對高質(zhì)量電子槍的要求。

　　回旋管作為在毫米波、亞毫米波段獲得高峰值功率寬頻帶的快波器件，在等離子體加熱、電子對抗、高功率毫米波亞毫米波雷達、通訊等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景，受到國際上普遍的關(guān)注。根據電子注回旋中心所在的位置，可以將回旋器件分為兩類(lèi)：由磁控注入式電子槍( MIG) 產(chǎn)生的小回旋電子注器件以及由CUSP 電子槍產(chǎn)生的大軌道回旋器件。

　　為了增大腔體的尺寸并減小所需的磁場(chǎng)，很多回旋器件在高頻段都工作在高次諧波狀態(tài)。小軌道回旋行波管由于激烈的模式競爭問(wèn)題很難穩定有效地工作在高次諧波狀態(tài)。由于螺紋波導的特殊結構，電子注與波導要發(fā)生耦合必須滿(mǎn)足條件mi-mk ± mB = 0，mi和mk分別代表TE11模和TE21模的角向變化次數，mB為螺紋波導橫截面在角向的變化次數。這對抑制回旋器件內的模式競爭十分有利，并使得螺紋波導回旋行波管能夠穩定地工作在較高的諧波狀態(tài)，減小回旋器件工作所需的磁場(chǎng)，使得回旋行波管可以利用永磁體代替超導磁體，整個(gè)系統變得小型化、輕便化。螺紋波導是一種在傳輸方向上非對稱(chēng)的不規則周期波導，改變了原本光滑波導中工作模式在截止頻率附近的色散特性，使得電子注和高頻場(chǎng)在相當寬的頻帶范圍內相互耦合從而大大展寬器件帶寬。俄羅斯Denisov 等研制的螺紋波導X 波段回旋行波管，獲得了1. 1 MW 峰值功率， 47 dB 增益，相對工作帶寬達到了20%。美國加利福利亞大學(xué)戴維斯分校S. B. Harriet 等研制的大回旋二次諧波回旋行波管在中心頻率30 GHz，獲得了效率20%，增益30dB，輸入為定值時(shí)帶寬3%。國內大回旋電子器件的研究起步較晚，主要集中在中科院電子所，中電十二所以及電子科技大學(xué)，但是至今尚未有相關(guān)的實(shí)驗報道。

　　大回旋電子槍是靠皮爾斯電子槍產(chǎn)生的環(huán)形電子束在電場(chǎng)力作用下，通過(guò)磁場(chǎng)反轉以及電場(chǎng)的減弱和縱向磁場(chǎng)的增加，電子束軸向速度減小而橫向速度增加，從而產(chǎn)生繞軸旋轉的電子束。雖然大回旋電子槍的理論與實(shí)驗發(fā)展了幾十年，但是直到1983 年才第一次被利用于微波器件中。相對于小軌道回旋器件來(lái)說(shuō)，很少有成功的高次諧波潘尼管和回旋管的實(shí)驗報道，主要原因是很難得到高質(zhì)量的大回旋電子注�？茖W(xué)家花了大量的時(shí)間和精力去研究產(chǎn)生高質(zhì)量大回旋電子注的縱向磁場(chǎng)磁體結構，在2000 年時(shí)，Northrop Grumman 等提出了一種稱(chēng)之為“state-of-the-art”的CUSP 磁體結構，其基本結構如圖1 所示。它由兩個(gè)鐵電極板、一個(gè)主線(xiàn)圈以及一個(gè)反轉線(xiàn)圈組成。其中主線(xiàn)圈提供注波互作用的磁場(chǎng); 電極板吸收由主線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如果電極板為理想電極板，可以認為主線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電極板兩側被完全吸收; 在電子槍端用線(xiàn)包做成一個(gè)反轉線(xiàn)圈來(lái)提供陰極區的倒向磁場(chǎng)。

  “state-of-the-art”磁體結構

圖1 “state-of-the-art”磁體結構

總結

　　本文從CUSP 電子槍的基本理論出發(fā)，初步給出了電子槍的基本結構參數，通過(guò)CST - PS 3D 粒子模擬進(jìn)行了大量的優(yōu)化仿真分析，研究了電子槍的橫縱速度比以及速度離散與電子槍各個(gè)參量的變化關(guān)系。通過(guò)研究發(fā)現，可以協(xié)調地調整各個(gè)參量以保證電子注的橫縱速度比相同，這為以后的實(shí)驗提供了理論研究基礎。并且根據理論和仿真計算，通過(guò)調整陰極磁場(chǎng)以及磁體系統的縱向位置和陽(yáng)極電壓，可以改變電子槍的橫縱速度比，從而使回旋器件能工作在最佳狀態(tài)。同時(shí)，本文還分析了陰極裝配誤差對電子注質(zhì)量的影響，通過(guò)研究可以發(fā)現，陰極的縱向偏移對電子的橫縱速度比影響較大，而陰極的偏心對電子注的速度離散影響較大，所以對整個(gè)電子槍陰極的裝配精度要求比較大。