四腔强流相对论速调管中高次模振荡的抑制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:成 会

  描述了在四腔强流相对论速调管模拟设计过程中出现的由于腔间耦合产生的高次模振荡现象,分析了这种振荡产生的原因,并从整管结果上探索了抑制这种高次模振荡的方法。利用MAGIC模拟软件,通过研究谐振腔Q 值、漂移管长度、以及束波互作用程度等参数的变化对腔间耦合的影响,在极小程度降低输出微波功率的情况,有效抑制了腔间耦合。最终在功率10kW、频率2.88GHz的注入微波激励下,获得了功率3.7GW、效率22%、增益56dB且频谱纯的输出微波,有效抑制了高次模振荡。

  近年来,高功率微波(HPM)器件发展非常迅速。速调管的高功率、高效率、高稳定性等优点使其在HPM 器件发展过程中,得到了广泛的研究和应用。然而强流相对论速调管中,由于其束流强度较大,常常会出现自激振荡现象。自激振荡不仅会影响速调管的效率和增益,严重时还会导致器件无法正常工作。产生自激振荡的机理主要有三种:单腔振荡,电子回流,腔间耦合。本文研究的是如何抑制在四腔强流相对论速调管的模拟设计过程中出现腔间耦合引起的自激振荡。在探索抑制腔间耦合引起高次模振荡的过程中,文献通过在速调管谐振腔内喷涂吸波材料来减低振荡模式的有载品质因子从而实现高次模振荡;文献通过在主谐振腔外接吸收腔的方法来抑制高次模的振荡。以上消

  除高次模振荡的方法均对输出微波功率的影响较大。本文通过改变四腔强流相对论速调管结构并添加适当的吸波材料,在高增益的情况下有效抑制由于腔间耦合产生的高次模振荡。

  1、相对论速调管放大器中腔间耦合现象

  在对四腔强流相对论速调管进行整管模拟过程中(整管结构图如图1所示),出现了如图2所示的脉冲缩短现象。图2中在计算时间小于150ns时,输出微波包络平坦,但当计算时间超过150ns时,输出微波功率下降并出现了波形抖动现象。观察粒子的相空间(图3),没有发现电子回流,且各谐振腔结构参数的选择也保证了谐振腔不会产生单腔振荡,因此可以排除电子回流或单腔振荡。

  观察各谐振腔间隙电压的频谱图(图4),发现两个中间腔以及输出腔均存在幅值基模可比拟的5.76GHz高次模。而且整管的轴向电场分布图(图5)中,第二、三段漂移管中存在明显的TM01模电场的传输。漂移管半径Rd1=2.4cm,其对圆波导中TM01模的截止频率为4.78GHz;当速调管的漂移管半径Rd2=2.2cm,其对圆波导中TM01模的截止频率为5.20GHz,也就是说漂移管对5.76GHz的电磁波是不截止的,那么速调管中存在由于腔间耦合产生的高次模振荡。

四腔强流相对论速调管中高次模振荡的抑制

图1 速调管整管结构图 图2 输出功率包络图 图3 粒子的相空间图

第一个中间谐振腔、第二个中间谐振腔和输出腔的间隙电压频谱图

图4 第一个中间谐振腔、第二个中间谐振腔和输出腔的间隙电压频谱图

  结论

  通过采用2.5维粒子模拟(PIC)软件对注入微波功率为10kW、频率为2.88GHz的强流相对论速调管(IRKA)进行模拟,并从整管上分析了各参数对高次模振荡的影响。通过不断的优化调节,模拟得到了3.74GW 的输出微波,效率达到22%,增益56dB,进一步加深了对强流相对论速调管束波互作用的认识。

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