Ka波段螺纹波导回旋行波管大回旋电子枪的研究与设计

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

  从拉氏方程出发,推导了大回旋电子枪(CUSP) 的理论,得到了用于Ka 波段螺纹波导回旋行波管大回旋电子枪的基本参数。通过CST-Particle Stuido 3D 粒子模拟软件,分析了不同参数对大回旋电子枪横纵速度比、速度离散的影响,理论计算与粒子模拟结果相互吻合。研究发现,影响大回旋电子注质量的主要因素是阴极所处的位置,所以文中重点分析了阴极装配误差对电子注质量带来的影响。通过将理论与仿真设计相结合,最终得到一种工作电压70 kV,电流5 A,速度比1.0 的大回旋电子枪,满足Ka 波段螺纹波导回旋行波管对高质量电子枪的要求。

  回旋管作为在毫米波、亚毫米波段获得高峰值功率宽频带的快波器件,在等离子体加热、电子对抗、高功率毫米波亚毫米波雷达、通讯等领域有着广泛的应用前景,受到国际上普遍的关注。根据电子注回旋中心所在的位置,可以将回旋器件分为两类:由磁控注入式电子枪( MIG) 产生的小回旋电子注器件以及由CUSP 电子枪产生的大轨道回旋器件。

  为了增大腔体的尺寸并减小所需的磁场,很多回旋器件在高频段都工作在高次谐波状态。小轨道回旋行波管由于激烈的模式竞争问题很难稳定有效地工作在高次谐波状态。由于螺纹波导的特殊结构,电子注与波导要发生耦合必须满足条件mi-mk ± mB = 0,mi和mk分别代表TE11模和TE21模的角向变化次数,mB为螺纹波导横截面在角向的变化次数。这对抑制回旋器件内的模式竞争十分有利,并使得螺纹波导回旋行波管能够稳定地工作在较高的谐波状态,减小回旋器件工作所需的磁场,使得回旋行波管可以利用永磁体代替超导磁体,整个系统变得小型化、轻便化。螺纹波导是一种在传输方向上非对称的不规则周期波导,改变了原本光滑波导中工作模式在截止频率附近的色散特性,使得电子注和高频场在相当宽的频带范围内相互耦合从而大大展宽器件带宽。俄罗斯Denisov 等研制的螺纹波导X 波段回旋行波管,获得了1. 1 MW 峰值功率, 47 dB 增益,相对工作带宽达到了20%。美国加利福利亚大学戴维斯分校S. B. Harriet 等研制的大回旋二次谐波回旋行波管在中心频率30 GHz,获得了效率20%,增益30dB,输入为定值时带宽3%。国内大回旋电子器件的研究起步较晚,主要集中在中科院电子所,中电十二所以及电子科技大学,但是至今尚未有相关的实验报道。

  大回旋电子枪是靠皮尔斯电子枪产生的环形电子束在电场力作用下,通过磁场反转以及电场的减弱和纵向磁场的增加,电子束轴向速度减小而横向速度增加,从而产生绕轴旋转的电子束。虽然大回旋电子枪的理论与实验发展了几十年,但是直到1983 年才第一次被利用于微波器件中。相对于小轨道回旋器件来说,很少有成功的高次谐波潘尼管和回旋管的实验报道,主要原因是很难得到高质量的大回旋电子注。科学家花了大量的时间和精力去研究产生高质量大回旋电子注的纵向磁场磁体结构,在2000 年时,Northrop Grumman 等提出了一种称之为“state-of-the-art”的CUSP 磁体结构,其基本结构如图1 所示。它由两个铁电极板、一个主线圈以及一个反转线圈组成。其中主线圈提供注波互作用的磁场; 电极板吸收由主线圈产生的磁场,如果电极板为理想电极板,可以认为主线圈产生的磁场在电极板两侧被完全吸收; 在电子枪端用线包做成一个反转线圈来提供阴极区的倒向磁场。

  “state-of-the-art”磁体结构

图1 “state-of-the-art”磁体结构

总结

  本文从CUSP 电子枪的基本理论出发,初步给出了电子枪的基本结构参数,通过CST - PS 3D 粒子模拟进行了大量的优化仿真分析,研究了电子枪的横纵速度比以及速度离散与电子枪各个参量的变化关系。通过研究发现,可以协调地调整各个参量以保证电子注的横纵速度比相同,这为以后的实验提供了理论研究基础。并且根据理论和仿真计算,通过调整阴极磁场以及磁体系统的纵向位置和阳极电压,可以改变电子枪的横纵速度比,从而使回旋器件能工作在最佳状态。同时,本文还分析了阴极装配误差对电子注质量的影响,通过研究可以发现,阴极的纵向偏移对电子的横纵速度比影响较大,而阴极的偏心对电子注的速度离散影响较大,所以对整个电子枪阴极的装配精度要求比较大。

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