0.3T Ku波段返波管的低磁場特性研究

邵劍波,謝鴻全，李正紅，馬喬生

(1.西南科技大學(xué)理學(xué)院，四川綿陽 621010；2.中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，高功率微波技術(shù)重點實驗室，四川綿陽 621900)

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0.3T Ku波段返波管的低磁場特性研究

邵劍波1，2,謝鴻全1，李正紅2，馬喬生2

(1.西南科技大學(xué)理學(xué)院，四川綿陽 621010；2.中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所，高功率微波技術(shù)重點實驗室，四川綿陽 621900)

為了實現(xiàn)相對論返波管振蕩器(RBWO)永磁包裝，本文采用Magic模擬軟件在0.5T低磁場相對論返波管(RBWO)器件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過在器件慢波結(jié)構(gòu)末端添加一個部分反射腔，減小電子束質(zhì)量對束波轉(zhuǎn)換影響，即減小引導(dǎo)磁場的影響，實現(xiàn)了Ku波段相對論返波管振蕩器0.3T磁場下運行.當(dāng)電子束束壓600kV、電子束束流7kA時，模擬得到器件輸出微波功率740MW，效率18%.盡管該器件的效率低于0.5T磁場下的效率(25%),然而0.3T引導(dǎo)磁場在工程上更容易實現(xiàn).結(jié)合小型化的脈沖功率源進行實驗研究，當(dāng)二極管束壓580kV、束流6.5kA，實驗獲得功率600MW，頻率13.10GHz，脈寬25ns的微波輸出，該器件的研制可以促進高功率微波(HPM)系統(tǒng)小型化的發(fā)展.

相對論返波管；小型化；Ku波段

1 引言

近年來，相對論返波管振蕩器(RBWO)作為利用受激切倫科夫輻射機理的典型振蕩型微波器件得到了廣泛的研究，它是最早研制成功的強相對論微波器件，同時也是輸出功率最大的器件之一[1～3].Ku波段的相對論返波管比C、X波段頻率高，更能提高其品質(zhì)因子(Pf2).所以，對該波段的研究具有重要的實用價值.但是為了能夠獲得較高的耦合阻抗，要求較強的外加引導(dǎo)磁場使得環(huán)形電子束緊貼著慢波結(jié)構(gòu)傳輸，一般的脈沖螺線管磁體通常只能工作在單次脈沖狀態(tài)，制約了RBWO的重復(fù)頻率運行，為了實現(xiàn)器件的重復(fù)頻率運行，則需要采用超導(dǎo)磁體來提供引導(dǎo)磁場，或者從器件設(shè)計上研制低磁場相對論返波管振蕩器.由于超導(dǎo)磁場系統(tǒng)體積龐大對高功率微波源(HPM)系統(tǒng)小型化的發(fā)展極為不利，因而本文從器件設(shè)計上降低RBWO引導(dǎo)磁場，對器件在低磁場條件下工作進行了詳細(xì)研究.從1998年A.V.Gunin報道了在0.7T的穩(wěn)衡磁場下得到了頻率為10GHz、功率為0.5GW、脈寬為10ns的微波輸出以來[3]，低磁場返波管振蕩器得到廣泛關(guān)注并進行了深入研究.2001年第二十一試驗訓(xùn)練基地研究所的范菊平等報道了在0.7T的磁場下,得到了頻率8.874GHz、功率750MW、效率約15%的微波輸出；2006年國防科技大學(xué)張軍等在約0.7T的引導(dǎo)磁場下實現(xiàn)了約1.2GW的X波段微波輸出，在此基礎(chǔ)上，2010年國防科技大學(xué)李川等在0.7T磁場下模擬實現(xiàn)了功率1.1GW、束波轉(zhuǎn)換效率29%的KU波段微波輸出；2013年中國工程物理研究院馬喬生在0.6T磁場下模擬得到了功率1.85GW、效率30%的X波段微波輸出[4]，并在0.5T磁場下得到功率800MW、頻率約9.13GHz的實驗微波輸出，同時開展了永磁包裝相對論返波管實驗，在0.46T永磁磁體上得到功率510MW、頻率8.0GHz、效率12%的微波輸出[5].2011年俄羅斯Korovin S D研究小組在0.7T磁場下得到功率1.4GW、效率25%的X波段微波輸出，A.V.Gunin等報道了在0.6T磁場下得到X波段微波功率1.3GW[6].可以看出，在0.5T以上磁場情況下運行的相對論返波管已經(jīng)實現(xiàn)了高功率、高效率微波輸出，而現(xiàn)有的0.46T永磁磁體質(zhì)量大、體積大，在實驗操作上不方便，因而設(shè)計出更低磁場相對論返波管振蕩器成為當(dāng)前發(fā)展的重要方向.

本文在0.5T相對論返波管基礎(chǔ)上設(shè)計了一個可以工作0.3T磁場下的Ku波段返波管振蕩器.當(dāng)電子束束壓和束流分別為600kV和7kA時，得到頻率13.18GHz、功率740MW、效率18%的模擬微波輸出.結(jié)合小型化的脈沖功率源[7]，當(dāng)外加磁場0.3T時，得到平均功率600MW、頻率13.10GHz、脈寬25ns的實驗微波輸出.

2 模型建立與分析

2.1 引導(dǎo)磁場的選擇

電子束在RBWO中的傳輸需要一個軸向引導(dǎo)磁場來對它進行引導(dǎo)，并且該引導(dǎo)磁場存在一個臨界值.對于束半徑為r，束厚度為Δ的環(huán)形電子束，其臨界磁場為[8]

(1)

2.2 0.3T相對論返波管振蕩器設(shè)計

采用Magic模擬軟件并參考0.5T磁場下相對論返波管振蕩器的優(yōu)點[3，4]，設(shè)計一個0.3T引導(dǎo)磁場下工作的Ku波段相對論返波管振蕩器(圖1).

首先，在慢波結(jié)構(gòu)前添加一個諧振腔，該諧振腔對工作模式的電磁波具有較高的反射系數(shù)而對其它模式的電磁波反射系數(shù)較低[5](圖2)，可以看出，該諧振腔在頻率13.08GHz處S21有最小值，反射效率接近100%，有利于工作模式Q值的提高.同時它可以對微波進行發(fā)射和對電子束進行預(yù)調(diào)制，這就使其更易于起振，以便相對論返波管可以在較低磁場下運行.

其次，器件慢波結(jié)構(gòu)末端添加一個部分反射腔，減小電子束質(zhì)量對束波轉(zhuǎn)換影響，即減小引導(dǎo)磁場的影響，實現(xiàn)器件0.3T磁場下運行.圖3為有無部分反射腔磁場對輸出微波影響關(guān)系曲線.可以看出，加上部分反射腔后器件的低磁場區(qū)域工作曲線左移，最佳工作磁場變小，犧牲了相對論返波管的部分功率輸出，實現(xiàn)了器件在0.3T磁場下工作.

第三，采用分段慢波結(jié)構(gòu)使電子束與慢波結(jié)構(gòu)充分作用[9].第一段慢波結(jié)構(gòu)的主要作用是對電子束進行速度調(diào)制；通過漂移段電子束進行密度調(diào)制；在第二段慢波結(jié)構(gòu)電子束與慢波區(qū)的高頻場充分作用實現(xiàn)換能.

另外，由于Ku波段器件頻率高，而器件工作頻率與器件尺寸成反比，所以高頻RBWO的尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊，不僅加工困難，而且容易造成高場強下?lián)舸?，使微波脈沖縮短.因此該器件采用過模慢波結(jié)構(gòu)[10]來有效降低慢波葉片表面的電場強度，增大器件的功率容量.又由于傳輸同樣大小的束流時，過模器件中電子束的空間電荷效應(yīng)比單模器件弱，因此在一定程度上為過模器件工作在低引導(dǎo)磁場下創(chuàng)造了有利條件.該器件慢波結(jié)構(gòu)平均半徑為2.5cm、波紋深度為0.2cm、軸向周期為1.0cm，其色散特性如圖4，對應(yīng)的工作頻率為13.1GHz.圖5為輸出微波740MW時的慢波結(jié)構(gòu)表面電場強度分布圖，其峰值低于60MV/m,有利于避免射頻擊穿的出現(xiàn).

3 0.3T RBWO的優(yōu)化設(shè)計

對構(gòu)造好的相對論返波振蕩器進行PIC粒子模擬，電子束束流、束壓、引導(dǎo)磁場都是影響微波輸出的重要參數(shù)，通過對其分析，找到器件的最佳工作束壓、束流和引導(dǎo)磁場.

3.1 二極管束壓對輸出微波的影響

束壓是影響微波輸出的一個重要參數(shù).當(dāng)引導(dǎo)磁場為0.3T、束流為7kA時，模擬得到的輸出微波與束壓之間的關(guān)系如圖6(a).

為了保證器件得到最大的微波輸出，二極管束壓必須選在束波同步的范圍內(nèi).如圖6(a)所示，微波功率在電子束壓400～600kV之間快速增長，超過600kV微波功率便會下降，因而太高或太低的電子束能量都可能導(dǎo)致電子束與空間諧波的作用不充分，從而降低輸出微波的功率.因此選取電子束束壓為600kV.

3.2 束流對輸出微波的影響

束流對微波輸出也非常重要.對于給定的引導(dǎo)磁場和電子束束壓，總有一個特定的束流值對應(yīng)著最大的微波輸出.

如圖6(b)所示，隨著束流的增加，輸出微波表現(xiàn)為拱形曲線.首先，隨著束流的增加，束波互作用增強，微波輸出呈增長趨勢；其次，由于輸出微波影響導(dǎo)致電子的回流，微波輸出呈下降趨勢.

3.3 軸向磁場對微波輸出的影響

在相對論返波管振蕩器中，必須使用引導(dǎo)磁場對電子束進行約束和引導(dǎo)，使其能夠穿過慢波結(jié)構(gòu)，因此引導(dǎo)磁場對微波輸出至關(guān)重要.

如圖6(c)所示，磁場對微波輸出的關(guān)系曲線分為低磁場區(qū)域和高磁場區(qū)域[12].在低磁場區(qū)域，首先隨著磁場強度的增大，電子束受到的約束變強，導(dǎo)致其拉摩半徑變小，電子束趨于相同的半徑，保證了電子束與慢波結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)波的相干性，因此輸出微波增大.其次，由于回旋共振吸收導(dǎo)致輸出微波減小.在高磁場區(qū)域，由于很強的磁場強度，對電子束的約束很強，電子束與慢波結(jié)構(gòu)相互充分作用，因而微波輸出在增大到一定趨勢后就保持不變了.

3.4 模擬結(jié)果

當(dāng)電子束束壓600kV、束流7kA、引導(dǎo)磁場0.3T下模擬得到器件中電子群聚的相空間分布圖與實空間分布圖分別如圖7、圖8所示.從圖中可以看出，電子束得到了很好的調(diào)制，在諧振腔，電子群聚不明顯，此時電子處于速度調(diào)制階段；經(jīng)過漂移段，電子群聚現(xiàn)象逐漸加強轉(zhuǎn)換為密度調(diào)制;在慢波結(jié)構(gòu)末端電子大部分處于低能量區(qū)，實現(xiàn)了微波場與電子換能.

粒子模擬結(jié)果如圖9：在電子束束壓為600kV，電流為7kA，引導(dǎo)磁場為0.3T時,如9(a)所示，該相對論返波振蕩器的起振時間約為5ns,得到的微波輸出740MW.圖9(b)為輸出口的功率頻譜圖，輸出微波的頻率比較單一，為13.18GHz，與理論值一致.

4 0.3T磁場設(shè)計

實驗使用磁場由電容器組對螺線管放電產(chǎn)生，該引導(dǎo)磁場等效電路如圖10所示[12].首先對電容器組充電，接著充電完的電容器組對電感L放電在回路中產(chǎn)生電流I，電流產(chǎn)生的磁場與電流成正比關(guān)系，即B∝I;電感L儲能P與電流I的關(guān)系為P∝I2,可以得出B2∝I2∝P，即

(2)

由式(2)可知，勵磁電源電功率消耗與磁場的平方成正比關(guān)系，較之一般工作0.5T以上的低磁場RBWO器件，0.3T磁場電功率消耗為0.5T磁場電功率消耗的9/25.電功率消耗的明顯減小對于勵磁電源的體積、重量也大大減小，這為器件小型化發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ).

對螺線管磁體參數(shù)進行測量以確保需要的磁場強度.首先，在螺線管磁體上加載一個恒定的小電流來測定線圈軸線上的軸向磁場位形，如圖11(a).在加載高壓情況下，使用特斯拉計測定了不同充電電壓與磁場強度之間的關(guān)系，如圖11(b),從圖中可以看出，充電電壓與螺線管線圈產(chǎn)生的軸向磁場成正比關(guān)系，充電400V就能產(chǎn)生0.3T磁場.

5 初步實驗結(jié)果分析

基于以上分析，對0.3T相對論返波管振蕩器進行初步實驗研究.實驗中,微波頻率采用混頻法進行測量，由開口接受波導(dǎo)接受的微波經(jīng)過電纜和衰減器的衰減，在混頻器中與微波信號發(fā)生器產(chǎn)生的本征信號混頻產(chǎn)生中頻信號，通過測量中頻信號的頻率就可以得到微波頻率，如圖12所示，得到頻率為13.10GHz.與粒子模擬結(jié)果13.18GHz吻合較好.如表1所示.

表1 微波器件輸出微波頻率測量

圖13為當(dāng)引導(dǎo)磁場強度0.3T、二極管束壓580kV、束流6.5kA時得到的典型實驗波形.通過計算得到輻射微波功率600MW,微波脈寬25ns.

6 結(jié)論

本文設(shè)計一個0.3T磁場下工作的RBWO器件，結(jié)合0.5T磁場下相對論返波管振蕩器的優(yōu)點，通過在器件末端添加一個部分反射腔實現(xiàn)器件0.3T磁場運行.采用2.5維粒子模擬(PIC)軟件對其進行模擬，分析了電子束壓、電子束流以及引導(dǎo)磁場強度對輸出微波的影響，當(dāng)電子束壓600kV、電子束流7kA時，得到頻率為13.18GHz，輸出功率為740MW的微波輸出，效率18%.在緊湊型脈沖功率源上進行實驗驗證，得到平均功率為600MW，頻率13.10GHz，脈寬25ns的微波輸出，效率16%.盡管該器件的效率低于0.5T磁場相對論返波管振蕩器，然而0.3T引導(dǎo)磁場在工程上更容易實現(xiàn)，可以促進HPM系統(tǒng)小型化的發(fā)展.本文開展了0.3T引導(dǎo)磁場下Ku返波管振蕩器的初步實驗，驗證了器件能夠在0.3T磁場下工作，下一階段在現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)指導(dǎo)下進一步優(yōu)化器件，從而得到更高效率的微波輸出.

[1]Larald D M,Edl S.Enhanced frequency agility of high-power relativistic backward wave oscillator[J].IEEE Trans Plasma Sci,1996,24(3):852-858.

[2]A V Gunin,A I Klimov,et al.Relativistic X-band BWO with 3-GW output power[J].IEEE Transaction on Plasma Science,1998,26(3):326-330.

[3]馬喬生,李正紅,吳洋.低引導(dǎo)磁場相對論返波管振蕩器設(shè)計[J].微波學(xué)報,2013，29(2)：79-82.

[4]Ma Q S,Liu Z,Li Z H,et al.Development of the relativistic backward wave oscillator with a permanent magnet[J].Chinese Physics C,2012,36(8):753-755.

[5]陳昌華.帶Bragg反射器高功率相對論返波管理論和實驗研究[D].西安:西北核技術(shù)研究所,2003.

[6]Vlasov A N,Ilyin A S,Carmel Y.Cyclotron effects in relativistic backward-wave oscillators operating at low magnetic fields[J].IEEE Trans Plasma Sci,1998,26:605-609.

[7]Song F L,Gan Y Q,Zhang Y,et al.Compact low impedance Marx generator for high power microwave applications[J].High Power Laser and Particle Beams,2013,25(So):177-180.

[8]Levush B T M,Antonsen Jr A N,Vlasov,et al.High-efficiency relativistic backward wave oscillator:theory and design[J].IEEE Trans Plasma Sci,1996(24):843-847.

[9]陳再亮，王建國，王玥，朱湘琴，等.相對論返波管超輻射產(chǎn)生與輻射的數(shù)值模擬研究[J].物理學(xué)報，2014,63(3):038402.

[10]Xiao R Z,Zhang L J,Liang T Z,et al.Limitation of cross-excitation instability in a relativistic Cerenkov generator with coaxial slow wave structure[J].Phys Plasma,2008,15:053107.

[11]胡林林,陳洪斌,馬國武,等.俄羅斯基于超輻射機理相對論返波管實驗研究進展[J].電子學(xué)報,2006,34(S1):2510-2531.

Hu Lin-lin,Chen Hong-bin,MA Guo-wu,et al.Experiment development of relativistic backward wave oscillator based on superridiance regime in russia[J].Acta Electronica Sinica,2006,34(S1):2510-2531.(in Chinese)

[12]黃華,雷祿榮,甘延清,等.相對論擴展互作用腔振蕩器重復(fù)頻率穩(wěn)定運行研究[J].電子學(xué)報,2009,37(8):1690-1693.

Huang Hua,Lei Lu-rong,Gan Yan-qing,et al.High power and repetitively pulsed operation of a relativistic extended interaction cavity oscillator[J].Acta Electronica Sinica,2009,37(8):1690-1693.(in Chinese)

邵劍波 男，1989年生于四川眉山，碩士研究生.主要研究方向：高功率微波器件研究.

E-mail:465392949@qq.com

謝鴻全 男，1974年生，教授.主要研究方向為高功率微波技術(shù)和電磁場理論，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文60余篇，其中40余篇次被三大檢索收錄.

Study of a Ku-Band Backward Wave Oscillator Characteristicswith Low Magnetic Field of 0.3T

SHAO Jian-bo1,2,XIE Hong-quan1,LI Zheng-hong2,MA Qiao-sheng2

(1.CollegeofScience,SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan621010,China;2.ScienceandTechnologyonHighPowerMicrowaveLaboratory,InstituteofAppliedElectronics,CAEP,Mianyang,Sichuan621900,China)

In order to realize the relativistic backward wave oscillator(RBWO) permanent magnet packaging,simulation software Magic is used and based on the structure of the relativistic backward wave oscillator(RBWO) with low magnetic field of 0.5T,through adding a partially reflecting cavity at the end of the device’s slow wave structure to reduce the effect of the quality of electron beam on the beam-wave conversion,that is,to reduce the effect of guiding magnetic field,so this paper realized the Ku band relativistic backward wave oscillator normal operation at 0.3T.When the electron beam is 600kV and the beam current is 7kA,the output microwave power of 740MW and the efficiency of 18% are obtained in the simulation software Magic.Although the efficiency of the RBWO at 0.3T is lower than that at 0.5T(25%),guiding magnetic field of 0.3T is easier to realize in engineering.Experiment on the miniaturization of pulse power source,when the diode is 580kV and the beam is 6.5kA,achieves output power of 600MW and the frequency of 13.10 GHz with the corresponding pulse width of 25ns.

relativistic backward wave oscillator (RBWO);miniaturization;Ku-band

2015-02-05;

2015-08-23;責(zé)任編輯：藍(lán)紅杰

國家自然科學(xué)基金(No.61271109)

TN125

A

0372-2112 (2016)09-2057-05

??學(xué)報URL:http://www.ejournal.org.cn

10.3969/j.issn.0372-2112.2016.09.005