雙諧振腔長脈沖相對(duì)論返波振蕩器研究

雙諧振腔長脈沖相對(duì)論返波振蕩器研究

葛行軍張軍靳振興楊建華錢寶良鐘輝煌

(國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙 410073)

摘要延長輸出微波脈寬是提高輸出平均功率水平的一種重要技術(shù)途徑．受限于“脈沖縮短”這一國際難題,通常高功率微波源輸出微波脈寬較窄．相對(duì)論返波振蕩器是一種高功率、高效率、可重頻運(yùn)行的高功率微波源,獲得了廣泛研究和應(yīng)用．在長脈沖相對(duì)論返波振蕩器研究方面,現(xiàn)有研究方法很難兼顧長脈沖與高效率．針對(duì)上述問題,提出了一種雙諧振腔長脈沖相對(duì)論返波振蕩器的設(shè)計(jì)方法:采用雙諧振腔降低射頻場;利用非均勻慢波結(jié)構(gòu)增強(qiáng)束波作用;引入大半徑收集極減少電子轟擊產(chǎn)生的二次電子的數(shù)量．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該器件與現(xiàn)有的長脈沖相對(duì)論返波振蕩器相比,可以在延長輸出微波脈寬的同時(shí)提高器件束波作用效率．

關(guān)鍵詞天波高功率微波;相對(duì)論返波振蕩器;長脈沖;雙諧振腔

中圖分類號(hào)TN125

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2015)04-0754-05

AbstractProlonging the pulse duration is an important method to increasing the average output power of the high power microwave (HPM) pulses. However, the pulse duration of the HPM is narrow owing to the “pulse shortening” phenomenon. Relativistic backward-wave oscillators (RBWOs) are one of most promising HPM sources for its high output power, high power conversion efficiency, and high repetition operations. It is difficult to prolong the pulse duration while enhancing the beam-wave efficiency. To solve the above-mentioned problem, a long-pulse RBWO with dual resonant cavities is proposed. Firstly, the dual resonant cavities is used to decrease the electric field. Then the non-uniform SWSs are introduced in the device to enhance the beam-wave efficiency. Finally, a large-radius collector is employed to decrease the electron stimulated desorption and secondary electron emission. It is shown in the experimental results that the pulse duration and the beam-wave efficiency are enhanced, compared with the conventional long-pulse RBWOs.

收稿日期：2014-09-08

作者簡介

Investigation of a long-pulse relativistic backward wave

oscillator with dual resonant cavities

GE XingjunZHANG JunJIN ZhenxingYANG Jianhua

QIAN BaoliangZHONG Huihuang

(CollegeofOpto-electricScienceandEngineering,NationalUniversityofDefense

Technology,ChangshaHunan410073,China)

資助項(xiàng)目: 國家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目資助課題

聯(lián)系人： 葛行軍 E-mail: gexingjun230230@aliyun.com

Key words high power microwave (HPM); relativistic backward wave oscillator (RBWO); long pulse; pulse shortening

引言

提高輸出的平均功率水平是高功率微波(High Power Microwaves, HPM)技術(shù)領(lǐng)域重要的發(fā)展方向,通?？梢酝ㄟ^提高HPM源峰值功率、重復(fù)頻率和脈沖寬度三方面來實(shí)現(xiàn)[1-10]．20世紀(jì)90年代,在經(jīng)歷了HPM發(fā)展的鼎盛時(shí)期后,研究人員意識(shí)到單一HPM源的峰值功率水平很難大幅度提高,而重復(fù)頻率運(yùn)行頻率要達(dá)到或超過kHz水平也非常困難．因此,延長輸出微波的脈沖寬度成為HPM研究領(lǐng)域提高器件單脈沖能量和平均功率水平的重要手段．相對(duì)論返波振蕩器(Relativistic Backward-Wave Oscillator, RBWO)由于具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出微波功率高、適應(yīng)的電子束參數(shù)范圍寬、可重復(fù)頻率運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn),成為發(fā)展最為成熟的HPM源之一,并獲得了廣泛研究和應(yīng)用[11-13]．在長脈沖RBWO方面,俄羅斯大電流研究所研制的S波段RBWO在3 GW的功率水平下實(shí)現(xiàn)了90 ns長脈沖微波輸出[14],繼續(xù)延長脈寬時(shí),遇到明顯的脈沖縮短現(xiàn)象．國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的S波段RBWO在2 GW的功率水平下實(shí)現(xiàn)了100 ns長脈沖微波輸出,但繼續(xù)提高輸入電功率時(shí),由于束波作用效率明顯下降,輸出微波功率難以繼續(xù)提高[15]．因此,通過深入探討脈沖縮短機(jī)理,研究兼顧長脈沖、高功率、高效率的RBWO具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值．

基于此,本文研究了一種雙諧振腔長脈沖RBWO,首先從物理機(jī)理上分析了器件提高束波作用效率、實(shí)現(xiàn)長脈沖的設(shè)計(jì)思想,然后利用數(shù)值仿真方法對(duì)器件工作過程進(jìn)行了詳細(xì)的模擬研究,最后開展了初步實(shí)驗(yàn)研究,給出典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果．

1物理分析

雙諧振腔長脈沖RBWO的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由環(huán)形陰極、雙諧振腔、非均勻慢波結(jié)構(gòu)、錐波導(dǎo)、收集極以及導(dǎo)引磁場等組成．設(shè)計(jì)特色如下．

圖1　雙諧振腔長脈沖RBWO結(jié)構(gòu)示意圖

1.1雙諧振腔

慢波結(jié)構(gòu)前端采用兩個(gè)諧振腔來取代截止頸,主要作用如下:

1) 對(duì)電子束進(jìn)行預(yù)調(diào)制:雙諧振腔對(duì)電子束進(jìn)行了預(yù)調(diào)制,使電子束發(fā)生了較明顯的預(yù)群聚,有利于在慢波區(qū)發(fā)生充分的束波相互作用,提高束波轉(zhuǎn)換效率．

2) 反射向二極管區(qū)泄漏的微波:諧振腔由于其本身的諧振特性,能達(dá)到截止頸的效果,即反射向二極管區(qū)方向傳輸?shù)奈⒉?避免造成不利影響．仿真結(jié)果表明,采用兩個(gè)諧振腔能實(shí)現(xiàn)對(duì)向二極管區(qū)泄漏的微波的全反射．

3) 減小陰極等離子膨脹影響:采用雙諧振腔結(jié)構(gòu),電子束距離諧振腔的徑向距離優(yōu)化后為5 mm(大于帶截止頸RBWO的2 mm),避免電子束刮擦或轟擊諧振腔,削弱器件內(nèi)部射頻場,可以有效削弱由于陰極等離子體徑向膨脹引起的脈沖縮短．

1.2非均勻慢波結(jié)構(gòu)

采用變波紋深度來提高后段慢波結(jié)構(gòu)與電子束的耦合阻抗,增強(qiáng)束波作用．同時(shí),增大波紋深度還有利于降低結(jié)構(gòu)波的相速度,使其與因把能量交給微波場而被減速的電子的速度繼續(xù)保持同步,使電子持續(xù)交出能量,進(jìn)而提高束波作用效率．

1.3大半徑收集極

降低收集極處電子的密度,減少因電子轟擊收集極而產(chǎn)生的二次電子的數(shù)量,進(jìn)而削弱收集極處等離子體對(duì)微波產(chǎn)生的影響．同時(shí),增大收集極與束波相互作用區(qū)之間的軸向距離,防止由于收集極處產(chǎn)生的等離子體膨脹至束波相互作用區(qū),導(dǎo)致輸出微波脈沖縮短．

2仿真結(jié)果與分析

采用粒子模擬程序分析器件中電子束的傳輸及束波相互作用的物理過程,并進(jìn)行電磁結(jié)構(gòu)優(yōu)化．粒子模擬的條件:二極管電壓約為940 kV、電流約為10.5 kA,導(dǎo)引磁場大小約為1.8 T．其中,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的長脈沖重頻加速器的輸出電壓波形設(shè)置二極管電壓參數(shù):上升沿60 ns、下降沿60 ns,半高寬約為160 ns．

2.1典型粒子模擬結(jié)果

粒子模擬表明:在慢波結(jié)構(gòu)起始段,雙諧振腔對(duì)電子束起到了預(yù)群聚的作用;在慢波結(jié)構(gòu)中段,電子群聚較明顯,充分發(fā)生束波相互作用;在慢波結(jié)構(gòu)末段,由于采用變阻抗結(jié)構(gòu),電子與結(jié)構(gòu)波的耦合阻抗提高,束波作用增強(qiáng),仍能實(shí)現(xiàn)較好群聚．

圖2給出了典型的粒子模擬結(jié)果．圖2(a)給出了輸出微波隨時(shí)間的變化,可知微波振蕩較穩(wěn)定,60 ns后微波飽和,半高寬約135 ns,飽和后平均功率約3.2 GW,效率約32.4%．圖2(b)給出了輸出微波的頻譜分析,可知微波頻譜較純凈,為3.75 GHz．

(a) 輸出微波隨時(shí)間的變化

(b) 輸出微波的頻譜分析 圖2　典型粒子模擬結(jié)果

2.2參數(shù)影響分析

1) 二極管電壓的影響分析

針對(duì)現(xiàn)有加速器的電參數(shù),模擬了輸出微波頻率(實(shí)心圓形)及效率(空心四邊形)隨二極管電壓的變化情況,如圖3所示．由圖可知,二極管電壓為820～980 kV時(shí),輸出微波頻率略有提高,由3.74 GHz升至3.75 GHz．

效率在二極管電壓為820 kV時(shí)有最大值,之后隨著二極管電壓升高而逐漸降低．在820 kV至1 MV范圍,效率仍高于31%．分析認(rèn)為只有電子的速度與電磁波的相速存在較好的匹配關(guān)系,束波之間才能夠充分進(jìn)行能量交換．上述分析表明器件對(duì)二極管電壓不是很敏感,這有利于實(shí)驗(yàn)中對(duì)電壓參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)．

圖3　微波頻率和效率與二極管電壓的關(guān)系

2) 導(dǎo)引磁場的影響分析

圖4為輸出微波頻率(實(shí)心星形)及效率(空心三角邊形)隨導(dǎo)引磁場的變化情況．由圖可知,磁場大小為1.6～2.6 T時(shí),頻率由3.74 GHz升高到3.76 GHz．當(dāng)外加磁場大于1.7 T時(shí),效率穩(wěn)定在30%以上．這是因?yàn)榇艌鲚^小時(shí),電子束得不到很好的控制,質(zhì)量較差,隨著導(dǎo)引磁場強(qiáng)度的增大,電子束的質(zhì)量逐漸提高,束波相互作用加強(qiáng),效率提高;當(dāng)磁場增大到可以完全控制電子束后,電子束的質(zhì)量不再隨著磁場強(qiáng)度的增大而提高,效率基本穩(wěn)定．

圖4　微波頻率和效率與導(dǎo)引磁場的關(guān)系

3實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)布局

在理論分析和數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上完成器件的加工,開展初步實(shí)驗(yàn)研究．

雙諧振腔長脈沖RBWO由長脈沖加速器驅(qū)動(dòng),見圖5(a)．輻射天線為輸出口徑φ500 mm的圓錐喇叭,輻射模式為TM01模．距離天線相心8 m放置兩路測量系統(tǒng),見圖5(b)．微波接收天線S2(參考路,作為參考和測量頻率使用)擺放于一側(cè)微波輻射的最大輻射方向上,該處位于距離輻射天線相心8 m遠(yuǎn)的圓弧上;而另一路接收天線S1(移動(dòng)路,作為測量功率用)則在8 m圓弧上的另一側(cè)按照2°的角度間隔進(jìn)行移動(dòng),用于輻射場功率密度分布積分法計(jì)算出輻射微波總功率．為避免地面和周圍墻體反射對(duì)測量結(jié)果的影響,在大廳接收喇叭的周圍均放置了具有較好吸收效果的尖劈形吸波材料．

(a) 長脈沖加速器及雙諧振腔RBWO

(b) 微波測量系統(tǒng) 圖5　實(shí)驗(yàn)布局

3.2初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中,二極管電壓約820 kV、電流約8.1 kA,導(dǎo)引磁場大小約為1.8 T．圖6(a)給出了檢波后輸出微波波形,可以看到兩路微波波形符合較好,脈寬大于110 ns,功率2 GW,效率約30%．圖6(b)給出了對(duì)輻射微波信號(hào)及其快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)分析結(jié)果,可以看到微波中心頻率為3.755 GHz,且輸出頻譜較純．實(shí)驗(yàn)結(jié)果與粒子模擬結(jié)果符合較好．

(a) 二極管電壓、電流、微波檢波后波形

(b) 輸出微波頻譜 圖6　典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種雙諧振腔長脈沖RBWO,采用理論分析、數(shù)值仿真、實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法研究了器件內(nèi)束波作用的物理過程．初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在二極管電壓820 kV、電流8.1 kA、導(dǎo)引磁場1.8 T時(shí),輸出微波功率2 GW、頻率3.755 GHz、功率轉(zhuǎn)換效率約30%、脈寬大于110 ns．下一步繼續(xù)深入研究脈沖縮短機(jī)理,在更高功率水平下實(shí)現(xiàn)長脈沖重頻HPM輸出．

致謝：衷心感謝袁成衛(wèi)研究員、張強(qiáng)講師在輻射天線設(shè)計(jì)中的幫助,使本文設(shè)計(jì)思想得以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．

參考文獻(xiàn)

[1] BENFORD J N, COOKSEY N J, LEVINE J S, et al. Techniques for high power microwave source at high average power [J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1993, 21(4): 388-392.

[2] BAKER R J, SCHAMILOGLU E. 高功率微波源與技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[3] 周傳明, 劉國治, 劉永貴, 等.高功率微波源[M]. 北京:原子能出版社, 2009: 1-4.

[4] FRIEDMAN M, KRALL J, LAU Y Y, et al. Efficient generation of multi-gigawatt RF power by a Klystron-like amplifier[J]. Review of Scientific Instruments, 1990, 61(1): 171-176.

[5] AGEE F J. Evolution of pulse shortening research in narrow band, high power microwave sources[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 1998, 26(3):235-240.

[6] HEGELER F, SCHAMILOGLU E, KOROVIN S D, et al. Recent advance in the study of a long pulse relativistic backward wave oscillator[C]//Proc 12th IEEE intern Pulsed Power Conf. California,1999: 825-828.

[7] GUNIN A V, LANDL V F, KOROVIN S D, et al. Experimental studies of long-lifetime cold cathodes for high-power microwave oscillators[J]. IEEE Transactions on Plasma Science. 2000, 28(3): 537-541.

[8] 葛行軍, 陳宇, 錢寶良,等. O型同軸慢波器件的縱向模式選擇研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 23(6):1111-1114.

GE Xingjun, CHEN Yu, QIAN Baoliang, et al. Investigation on longitudinal mode selection in O-type coaxial slow-wave devices [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2008, 23(6):1111-1114. (in Chinese)

[9] 袁成衛(wèi), 劉慶想, 鐘輝煌. 新型高功率微波模式轉(zhuǎn)換天線研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 20(6):716-719.

YUAN Chengwei, LIU Qingxiang, ZHONG Huihuang. Research on a new high-power microwave mode-transducing antenna [J]. Chinese Journal of Radio Science, 2005, 20(6):716-719. (in Chinese)

[10]何友文. 高功率微波激勵(lì)的等離子體效應(yīng)的概述[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 20(3):390-394.

HE Youwen. The plasma effects induced by high power microwave[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2005, 20(3): 390-394. (in Chinese)

[11]LIU Guozhi, XIAO Renzhen, CHEN Changhua, et al. A Cerenkov generator with coaxial slow wave structure [J]. Journal of Applied Physics, 2008, 103(9): 093303.

[12]NATION J A. On the coupling of a high-current relativistic electron beam to a slow wave structure [J]. Applied Physics Letters, 1970, 17: 491-494.

[13]GE Xingjun, ZHONG Huihuang, QIAN Baoliang, et al. An L-band coaxial relativistic backward wave oscillator with mechanical frequency tunability [J]. Applied Physics Letters, 2010, 97(10): 101503.

[14]POLEVIN S D, KOROVIN S D, KOVALCHUK B M, et al. Pulse lengthening of S-band resonant relativistic BWO[C]//13th International Symposium on High Current Electronics. Tomsk, 2004: 246-249.

[15]JIN Zhenxing, ZHANG Jun, YANG Jianhua, et al. A repetitive S-band long-pulse relativistic backward-wave oscillator[J]. Review of Scientific Instruments, 2011, 82(8): 084704.

葛行軍(1982-),男,山東人,講師,博士,主要從事高功率微波技術(shù)研究．

張軍 (1977-),男,陜西人,研究員,博士,主要從事高功率微波技術(shù)研究．

靳振興 (1982-),男,甘肅人,助理研究員,博士,主要從事高功率微波技術(shù)研究．

葉喜紅, 何芒, 周平源. 寬帶寬波束圓極化微帶八木天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2015,30(4):759-763. doi:10.13443/j.cjors. 2014090703

YE Xihong, HE Mang, ZHOU Pingyuan. Broadband wide beam-width circularly polarized microstrip Yagi antenna [J]. Chinese Journal of Radio Science,2015,30(4):759-763. (in Chinese). doi:10.13443/j.cjors. 2014090703