帶漸變過渡型提取結構的Ku波段磁絕緣線振蕩器*

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帶漸變過渡型提取結構的Ku波段磁絕緣線振蕩器*

江濤，賀軍濤，張建德，李志強，令鈞溥

(國防科技大學 光電科學與工程學院，湖南 長沙410073)

摘要：提出了一種漸變過渡型的微波同軸提取結構，解決了采用傳統的均勻同軸提取結構的Ku波段磁絕緣線振蕩器中存在的輸出模式不純和TEM模傳輸效率較低的問題。模擬結果表明，漸變過渡型提取結構實現了微波的高效提取和單一的同軸TEM模輸出；過渡后的同軸結構利于支撐桿的設計，滿足了同軸TEM模的傳輸要求。與傳統的均勻同軸提取結構相比，漸變過渡型提取結構能夠適量提高器件的品質因數，進而加強束波作用，加快微波起振。

關鍵詞：Ku波段；磁絕緣線振蕩器；提取結構；支撐桿；品質因數

磁絕緣線振蕩器(Magnetically Insulated transmission Line Oscillator, MILO)因其無需外加磁場、體積小、重量輕等優點而成為一種非常有發展前景的高功率微波源[1-4]。目前，MILO在L、S、C等較低的微波頻段的實驗中已經實現了超過1GW的穩定微波輸出[5-7]，正朝著更高頻段如X、Ku波段發展[10-13]。由于Ku波段在通信領域具有廣泛的應用，因此開展Ku波段MILO的研究具有重要的意義。

Ku波段頻率高，相應的器件尺寸較小，為了提高功率容量，擬采用一種具有大橫向尺寸的過模慢波結構。若仍采用傳統的均勻同軸提取結構，則由于同軸提取結構內外導體間距較大，旋轉對稱TM01模在同軸結構中不截止，會帶來兩方面的問題：微波輸出模式不純；TEM模傳輸效率太低。因此，提出一種漸變過渡型同軸提取結構。通過優化設計，實現了微波的高效提取和單一的同軸TEM模輸出；另外，這種漸變過渡型同軸提取結構還有利于提高束波作用效率和加快微波起振。

1采用均勻同軸提取結構的Ku-MILO

最初設計的采用傳統的均勻同軸提取結構的Ku波段MILO的基本結構如圖1所示，其工作頻率為12.5GHz，為了提高功率容量，主慢波結構采用過模結構，陰極半徑Rc=24mm，陽極外半徑Ra=40mm。

圖1　采用傳統提取結構的Ku-MILO結構示意圖Fig.1　Configuration of the Ku-MILO with traditional extractor

通常，負載陽極半徑Rd與陰極半徑Rc相同或比Rc略大，在微波同軸輸出區直接加兩排支撐桿，支撐桿和同軸傳輸線組成傳統的均勻同軸提取結構。目前，從文獻中看到的Ku波段MILO均采用這種均勻同軸提取結構[11,13]。然而，在采用過模慢波結構的Ku波段MILO中，由于微波同軸提取結構內外導體間距較大，TM01模不截止，會帶來如下兩方面的問題。

一方面，對圖1所示結構進行二維粒子模擬(不加支撐桿情況)，采用文獻[8]提出的模式成分分析方法對輸出微波模式成分進行分析，發現微波耦合到提取結構時會同時產生TEM模和TM01模，TEM模只占90%的功率成分，而TM01模占有約10%的功率成分。同軸TM01模的存在以及輸出模式不純將會給微波提取結構中支撐桿的設計以及后續的模式轉換結構設計帶來困難。另一方面，在支撐桿設計時，由于同軸結構中TM01模不截止，支撐桿的引入很容易激勵起相當大部分的TM01模，而使得TEM模的傳輸效率太低，無法滿足設計要求。

因此，需要對這種均勻同軸提取結構進行改進設計，在保證主慢波結構不變的前提下使得新設計的提取結構能夠解決上述問題。

2提取結構的改進設計

根據上述分析，微波同軸提取結構中TM01模不截止是使得微波輸出模式不純和TEM模傳輸效率較低的根本原因，因此，重新設計微波提取結構的關鍵在于截止TM01模。為了使TM01模截止，需要減小同軸提取結構內外導體間距，而具體減小值則需通過對同軸結構進行模式分析來確定。

2.1　同軸結構模式分析

同軸波導中TM波的特征方程為[9]：

(1)

式中，R, r分別為同軸波導的外導體內半徑和內導體外半徑，Jn是貝塞爾函數，Nn是諾埃曼函數，kc是截止波數。求解這個特征方程可以得到kc的一系列根。n階方程的第i個根就是同軸波導中TMni模的臨界波數kcEni，由此便可以求出TMni模的臨界波長[9]：

(2)

Ku波段MILO的工作頻率為12.5GHz，波長λ0≈24mm，當λcEni>λ0時，該模式將在同軸波導中截止。通過對式(1)、式(2)進行數值計算發現，保持外導體半徑Ra不變，當內導體半徑Rd增大到30mm時，TM01模截止。

2.2　漸變過渡型同軸提取結構設計

根據同軸結構模式分析結果，當內導體半徑Rd從24mm增大到30mm時，TM01模在同軸結構中截止，然而簡單的增大同軸提取結構內導體半徑，而仍然采用均勻同軸提取結構，其內導體比陰極高出的一個臺階會產生較大的微波的反射，使得微波輸出效率很低。因此，需設計一種漸變過渡的內導體結構，實現阻抗匹配，減小對微波的反射。

另外，平面二極管型負載(圖1結構采用的負載結構)陰陽極間距d很小，極易導致負載陰陽極燒蝕[10-11]，為了保證良好的磁絕緣性，故采用限制型負載，通過增大陰陽極間距和電子收集極表面積來降低能量沉積密度，避免負載陰陽極燒蝕[12]。

結合以上分析，在限制型負載結構的基礎上，設計了改進的漸變過渡型微波同軸提取結構。基本結構如圖2所示，把限制型負載的陽極收集筒設計成錐形結構，其半徑Rd漸變地從24mm過渡到30mm。這個陽極收集筒也是微波提取結構的內導體，與同軸外導體構成了改進的漸變過渡型微波同軸提取結構。其中，為了確保負載陰極電流發射的均勻性，收集筒內半徑取均勻值21mm；伸入負載收集筒的小陰極半徑Rc1取10mm，收集筒與小陰極的徑向距離為11mm。當收集筒端與小陰極端間距d取足夠大時能避免負載陰陽極燒蝕。

圖2　改進的Ku-MILO結構示意圖Fig.2　Configuration of the improved Ku-MILO

結合改進的漸變過渡型提取結構，對MILO整體結構進行粒子模擬優化，當漸變過渡段長度l取45mm時，獲得了最大微波功率輸出，如圖3所示。

圖3　輸出功率隨過渡段長度的變化Fig.3　The output power versus the lengthof the transition section

圖4　兩種結構的S21曲線Fig.4　The S21curves of two different structures

對漸變過渡型提取結構進行支撐桿設計，通過高頻電磁場軟件進行模擬優化。圖4所示的為兩種提取結構中支撐桿結構的TEM模傳輸系數曲線。在傳統的均勻同軸提取結構中，支撐桿的引入會在同軸波導中激勵起大部分TM01模，而使得TEM模的傳輸效率只有70%左右，沒有達到設計要求；在漸變過渡型同軸提取結構中，由于過渡后的同軸結構對TM01模截止，實現了TEM模99.3%的傳輸效率，滿足設計要求。

3粒子模擬

對帶漸變過渡型同軸提取結構的Ku波段MILO進行粒子模擬，結果如圖5和圖6所示。在輸入電壓470kV的條件下，得到微波輸出平均功率約2.86GW，頻率約12.46GHz，效率達到12.7%。對輸出微波進行模式成分分析，輸出微波為純TEM模。器件實現了高效率單模輸出。

圖5　輸出功率隨時間變化Fig.5　The output power versus time

圖6　輸出微波功率譜Fig.6　The power spectrum of output microwave

對圖1和圖2所示的兩種MILO結構的微波輸出功率進行比較，確保輸入電壓一致(470kV)，結果如圖7所示。

從圖7中可以看出，采用漸變過渡型同軸提取結構的MILO的微波輸出功率比采用傳統均勻同軸提取結構的MILO的微波輸出功率要高0.3GW，且起振和飽和要快約1ns。分析其可能原因為微波傳輸到提取結構的漸變過渡段產生適量反射，有利于提高慢波諧振腔的品質因數，而通常情況下，品質因數越大，越有利于加強電子束的振蕩調制，增強束波作用效率，使MILO快速起振和飽和[6]。

圖7　兩種結構的輸出功率Fig.7　The output power of the two structures

對兩種結構的提取品質因數進行模擬分析，結果如圖8所示。采用漸變型提取結構的MILO的品質因數為106，采用傳統提取結構的MILO的品質因數為68，證實了上述分析的正確性。

圖8　兩種結構的品質因數Fig.8　The quality factor of the two structures

4結論

針對采用過模慢波結構的Ku波段MILO，指出了其采用傳統方法設計的微波提取結構存在輸出微波模式不純和TEM模傳輸效率較低的問題,并對此提出了一種改進的漸變過渡型的微波同軸提取結構。模擬結果表明，過渡后的同軸結構利于支撐桿的設計，實現了同軸TEM模的高效傳輸。對漸變過渡型同軸提取結構進行了優化，優化結構實現了微波的高效提取和單一的同軸TEM模輸出。粒子模擬結果表明，在輸入電壓470kV的條件下，得到微波輸出平均功率約2.86GW，頻率約12.46GHz，效率達到12.7%。通過與采用傳統提取結構的MILO的粒子模擬結果比較發現，漸變型同軸提取結構能適量提高品質因數，從而有利于提高微波輸出功率和加快微波起振。

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Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator with a gradual transitional extractor

JIANGTao,HEJuntao,ZHANGJiande,LIZhiqiang,LINGJunpu

(College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：To solve the problems of impure output modes and inefficient TEM transmission in the Ku-band MILO with the conventional uniform coaxial extractor, a gradual transitional coaxial extractor was proposed. The simulation results show that: the gradual transitional coaxial extractor achieves efficient microwave extraction and a single output TEM; the transitional coaxial structure is conductive to the design of supports and meets TEM transmission requirements. Compared with the traditional extractor, the gradual transitional coaxial extractor can strengthen the beam-wave interaction and accelerate the microwave start-up through enhancing the quality factor of the Ku-band MILO in right amount.

Key words：Ku-band; magnetically insulated transmission line oscillator; extraction structure; supports; quality factor

中圖分類號：TN127

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2015)02-024-04

收稿日期：2015-01-05基金項目：國家自然科學基金資助項目(11305263)

作者簡介：江濤(1987—)，男，重慶長壽人，博士研究生，E-mail：308104060@qq.com；張建德(通信作者)，男，教授，博士生導師，E-mail：jdzhang12@yahoo.com

doi:10.11887/j.cn.201502006

http://journal.nudt.edu.cn