同轴腔高功率多注速调管注-波互作用系统的模拟设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:张 瑞

  以同轴腔高功率多注速调管为研究对象,以大信号程序KLY 及PIC 粒子模拟软件对其多电子注- 波互作用系统开展了一维初始设计、二维等效设计及全三维模拟设计。通过采用二次谐波腔技术及参数优化,使同轴腔注- 波互作用系统达到了70%以上的计算效率。与传统长漂移管方案注- 波互作用系统相比,二次谐波腔方案不仅可以获得较高的注- 波互作用效率,并且其系统长度可比传统方案缩短35%,有利于器件小型化。文中给出了以单通道圆柱腔代替多通道同轴腔的注- 波互作用系统二维等效快速计算方法,与一维及三维计算结果的对比表明,这种方法具有较高的计算精度。

  速调管作为经典的大功率微波电真空器件,在高能加速器、自由电子激光器领域有着广泛的应用。传统单注速调管可以获得较高的输出功率,但其过高的工作电压会带来高压击穿、辐射增强以及电源调制器复杂、笨重等一系列问题,其大工作电流会产生强空间电荷作用力,使电子注聚焦困难,噪声和阴极负载增加以及效率降低。

  多注速调管采用多个电子注并联工作,可以在较低的电压下获得较大的电子注电流及导流系数,从而显著降低管子的工作电压。随着计算机技术的发展,具备了三维设计手段,采用同轴谐振腔及高次模谐振腔的新型高功率多注速调管得到了发展。采用同轴谐振腔或高次模谐振腔可以把腔体的体积做得较大,这一方面增加了腔体本身的功率容量,另一方面,电子注不再集中于谐振腔中心通过,增加了阴极的发射面积,可在较低阴极负载情况下大幅增加工作电流,从而提高束流功率水平。由高频谐振腔经过合理排布组成的注-波互作

  用系统是速调管中电子注与电磁场进行能量转换的关键组件,其设计特性对速调管的效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。采用了同轴腔或高次模腔的高功率多注速调管为非对称结构,其注-波互作用系统的设计具有一定难度。一维注-波互作用程序虽可对其进行计算,但计算精度不高,适于初始设计。而三维注-波互作用软件计算时间较长,难以用其直接进行大计算量的三维优化设计。

  本文以L 波段10 mW 同轴腔多注速调管为研究对象,以一维大信号程序KLY、PIC 粒子模拟软件对其注-波互作用系统开展了一维、二维、三维模拟设计。以一维程序计算获得系统初始参数,以单通道圆柱腔代替多通道同轴腔的等效模拟方法进行二维优化计算,然后以三维计算验证计算精度。设计中采用二次谐波腔技术并通过谐振腔高频参数及排布方式的优化来获得较高的注-波互作用效率。

1、L 波段10 MW多注速调管工作参数

  本文所研究的L 波段高功率多注速调管整管参数如表1 所示。其工作频率1300 MHz,峰值功率10mW,工作电压115 kV,总工作电流132 A,速调管共6 个电子注,每个电子注电流为22 A,电子注排布方式如图1 所示。速调管采用了如图2 所示的同轴谐振腔,工作在TM01基模。基模同轴腔的优点是其体积较大,为旁轴多电子注的产生及传输提供了充足的空间,并且,其基模工作方式可以最大程度上避免杂模震荡问题。

表1 L 波段10 mW 多注速调管参数

L 波段10 mW 多注速调管参数

同轴腔高功率多注速调管注-波互作用系统的模拟设计

图1 多注电子枪排布图 图2 6 注同轴谐振腔

结论

  本文对L 波段10 mW 多注速调管同轴腔注-波互作用系统开展一维、二维及三维模拟计算,计算表明: 采用二次谐波腔方案的同轴腔注-波互作用系统不仅可以获得较高的转换效率,并且相对于长漂移管方案系统长度显著缩短,有利于器件小型化。采用单注圆柱谐振腔替代多注同轴腔对多注注-波互作用系统进行单注等效模拟计算,通过与一维及全三维模拟结果的比较,验证了这种方法的可行性,为高功率多注速调管注-波互作用系统的模拟设计提供了一种快速有效的计算方法。

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