旭日型可調諧相對論磁控管的研究與優化設計

摘 要： 理論推導了相對論磁控管中電子與高頻場的互作用機理，分析了相對論磁控管陰極發射面高度、工作電壓和磁場對其工作效率及調諧帶寬的影響，得出進一步提高磁控管效率及調諧帶寬的條件。對比了10腔旭日型可調諧相對論磁控管仿真及實驗結果，通過仿真手段進一步優化了該磁控管，提高了輸出效率、拓展了調諧帶寬。研究結果表明，優化后的10腔旭日型可調諧相對論磁控管具有37%的調諧帶寬，電子轉換效率最高達到17.9%，輸出功率在1.1 GW以上。

關鍵詞： 相對論磁控管； 旭日型可調諧磁控管； 互作用機理； 電子轉換效率

中圖分類號： TN123?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0142?04

Abstract： The interactive mechanism between the electrons and high?frequency field in the relativistic magnetron is theoretically deduced. The impacts of the cathode emitting surface height， operating voltage and magnetic field of the relativistic magnetron on the working efficiency and tunable bandwidth were analyzed， by which the conditions to further improve the efficiency and tunable bandwidth of the magnetron were obtained. The simulation and experimental results of the 10?cavity Sun?rising tunable relativistic magnetron are compared. The magnetron is optimized further by means of simulation， which improves the output efficiency and extends tunable bandwidth. The research results indicate that the tunable bandwidth of the optimized 10?cavity Sun?rising tunable relativistic magnetron is 37%， its maximum electron conversion efficiency can reach 17.9%， and its output power is above 1.1 GW.

Keywords： relativistic magnetron； Sun?rising tunable magnetron； interactive mechanism； electron conversion efficiency

0 引 言

相對論磁控管是傳統磁控管對強流相對論電子注的外推，它采用冷陰極并能夠產生GW量級的高頻功率輸出。它的工作電壓為數百千伏，電流數千安[1]。相對論磁控管制造簡單，近年來得到了迅速的發展。Bekefi和Orzechowski于1976年首次研制了這樣的器件[2]，其中輸出功率最高的是Palevsky和Bekefi多次詳細報告的A6型磁控管[3]。與傳統磁控管的最大輸出功率10 MW相比，第一個相對論磁控管[4]就達到了900 MW。相對論磁控管的高峰值功率和平均功率特性引起了很多國家對它展開了研究，為了使相對論磁控管更加實用化和商業化，它的研究朝著可調諧和高效率方向發展。Mikhail I.Fuks研究的同軸輻射相對論磁控管效率達到了70%，輸出功率也在GW量級[5]。同軸輻射相對論磁控管具有輸出功率高、外加磁場緊湊以及直接輻射不同橫電波的特點，將有望成為最緊湊的窄帶高功率微波源之一[6]。與其他高功率微波源相比，可調諧性是相對論磁控管的一大突出亮點。美國PI公司在1995年對可調諧相對論磁控管第一次進行了報道，L波段中，中心頻率在1.21 GHz，調諧帶寬接近24%；S波段中，中心頻率在2.82 GHz，調諧帶寬是33%；總的輸出功率是400～600 MW。1998年，國內電子科技大學開始對可調諧相對論磁控管進行研究，取得了很好的研究成果，研制出了調諧帶寬為500 MHz，輸出功率大約為1 GW的可調諧相對論磁控管[7]。

研究相對論磁控管的可調諧性，可為寬帶高功率微波對電子設備的效應機理研究提供較寬頻段范圍的微波源，在雷達，電子對抗的研究中也常常需要在一定帶寬內輸出信號頻率可變的微波源。然而，低效率引發了一系列問題，包括陽極腐蝕、等離子體生成、重復脈沖工作、脈寬、小型化等，已經成為當前限制相對論磁控管繼續向前發展的最大障礙[8]。因此，為了讓可調諧相對論磁控管更加的實用化，本文對旭日型可調諧相對論磁控管進行了研究和優化，以拓展磁控管的調諧帶寬，提高電子轉換效率。研究過程主要采取理論和模擬研究，先對相對論磁控管的高頻特性進行理論分析，然后用CHIPIC軟件對磁控管進行三維粒子模擬研究，通過對結構參數和電參數的優化，可以有效地增加調諧帶寬。

1 相對論磁控管的工作條件和色散特性分析

將磁控管的陽極作為慢波線，由色散特性曲線可知，與[π]模同步的電子，既與基波的正向波同步，也與正一次空間諧波的反向波同步，電子流將同時激勵起正向波和反向波，從而形成駐波[9]。對于[n=（N2）+1]模式，是一個正一次空間諧波的反向波，由系統的不均勻性發生的反射，會激勵起與[n=（N2）+1]模式頻率相同的[n=（N2）-1]模式，該模式是一個正向波。像這樣正一次空間諧波和基波成對出現，構成一對對的簡并模式。

從以上理論分析中可知：要拓展圖1所示10腔旭日型可調諧相對論磁控管[10]的調諧帶寬和增加輸出效率就要提高其模式隔離度，也就是根據調諧滑塊的位置確定了易于[π]模工作的電壓和磁場后，再通過減小陰極發射面，降低陽極電流來減小空間電荷的影響，以此提高磁控管的效率，拓展磁控管的調諧帶寬。

旭日型相對論磁控管的陽極結構如圖1所示，陽極半徑[Ra=21 mm]、陽極高度為[72 mm]、陰極半徑[Rc=12 mm]、諧振腔半徑[R=43.5 mm]、扇形圓心到磁控管中心距離[L=17 mm]、扇形的圓心角是72°。

2 旭日型相對論磁控管的優化研究

在以上理論分析的基礎上，本節從模擬角度研究陰極發射面高度以及電參數對磁控管的效率的影響，以便得到較高的輸出功率和電子轉換效率，同時拓展磁控管的調諧帶寬。

2.1 磁控管效率的優化

由電子與高頻場的互作用分析可以發現減小陰極發射面可以降低陽極電流，有利于提高磁控管的效率。表1是當調諧滑塊位置在10 mm時，電壓和磁場不變，陰極發射面高度從14 mm變化到30 mm時模擬得到的輸出功率和效率。

從表1可以看出，當陰極高度增加時，陽極電流也不斷增加，效率降低。這是由于陽極電流增加，空間電荷影響增強，不利于電子的相位聚焦和電子流與高頻場的能量交換，因此效率有所下降。陰極高度也不能太小，當陰極高度減小到14 mm時，效率也會下降，這是由于陰極發射面太小使磁控管不能穩定工作，當陰極高度是16 mm時，磁控管效率最高。

電壓和磁場的設置也是關系到磁控管是否起振和穩定工作的關鍵因素。表2是當調諧滑塊位置在3 mm，磁場[B=0.48 T]，電壓從560 kV變化到700 kV時得到的輸出功率和效率。從表2可以看出，電壓從580 kV升高到620 kV時，輸出功率和效率都在不斷增加，電壓繼續升高時，輸出功率有所提高，效率卻不斷下降。當電壓為620 kV時，磁控管的電子轉換效率最高，達到14.5%，輸出功率也較高，有1.734 GW。由圖2和圖3磁控管的相空間圖可以看出，當電壓低于560 kV時，輸出功率和效率急劇下降，這是其他模式對[π]模產生干擾造成的。

圖2和圖3是磁控管在2.352 ns和5.362 ns的相空間圖，從圖2可以看到磁控管工作在[2π]模式，電子在每個諧振腔都有群聚，圖3是磁控管工作在[π]模的狀態，電子在五個小腔群聚，[2π]模對工作模式產生了嚴重的干擾，使磁控管不能穩定工作。

2.2 磁控管調諧帶寬的優化

由以上陰極發射面高度和電壓、磁場對磁控管的影響的研究可以發現，從結構參數和電參數這兩個方面對旭日型相對論磁控管進行優化，可以抑制其他模式的干擾，提高模式隔離度，提高磁控管效率的同時也可以增加調諧帶寬。

圖4和圖5是調諧滑塊位置在3 mm時，旭日型可調諧磁控管的頻譜圖和輸出功率圖。可以看出此時磁控管工作頻率是3.122 GHz，頻譜分量比較純，輸出功率比較高，為1.734 GW。

表3是調諧滑塊繼續往高頻和低頻方向移動得到的仿真數據。仿真中陰極發射面高度設為16 mm，根據相對論磁控管工作電壓與磁場的關系，在調諧滑塊的不同位置設置易于[π]模起振的電壓和磁場。小腔高度從1.5 mm變化到23.5 mm時，工作頻率從3.23 GHz變化到2.22 GHz，達到了1.01 GHz的調諧帶寬，輸出功率在1.1 GW以上。小腔高度從10 mm變化到21 mm時，與文獻[11]中數據對比可發現，模擬數據與實驗數據基本一致。

3 結 語

對旭日型相對論磁控管的結構參數和電參數進行優化得到了一個具有37%調諧帶寬，輸出功率在1.1 GW以上，最高效率達到17.9%的可調諧相對論磁控管。大腔不變，通過小腔內金屬滑塊的調節可以使磁控管結構更加緊湊。在一定范圍內，減小陰極發射面有利于降低陽極電流，提高輸出功率和電子轉換效率，當陰極發射面高度為16 mm時，效率最高；設置易于[π]模起振的電壓和磁場，有利于提高模式隔離度，抑制其他模式對[π]模產生干擾，穩定輸出。

參考文獻

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