太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管注波互作用提升研究

王 舜，李星瑤，劉欣璐，陳 潔，吳禮銀

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

在各類回旋電子脈塞器件中，為了得到更寬的工作帶寬并保持較高的輸出功率，回旋行波管的注波互作用結(jié)構(gòu)一般選擇為光滑波導(dǎo)[1-3]。回旋行波管以其大功率、寬帶寬的特性，在高精度雷達(dá)和毫米波通信方面有著廣闊的應(yīng)用前景[4-5]，受到了人們的廣泛關(guān)注和高度重視。

在回旋行波管發(fā)展的最初階段，注波互作用的高頻結(jié)構(gòu)一般采用光滑的直波導(dǎo)，其優(yōu)點(diǎn)是具有較寬的工作帶寬，缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生寄生振蕩，導(dǎo)致工作電流比較小，限制了輸出功率[6-7]。經(jīng)過(guò)各國(guó)研究學(xué)者的不斷摸索，發(fā)現(xiàn)引入衰減后的高頻結(jié)構(gòu)能有效抑制寄生振蕩，確保回旋行波管的穩(wěn)定工作，維持回旋行波管一定的輸出功率。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室在20 世紀(jì)80 年代初通過(guò)在圓波導(dǎo)中加載衰減介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)能夠有效提高寄生模式的起振電流，抑制回旋行波管的振蕩。20 世紀(jì)90 年代，中國(guó)臺(tái)灣中央大學(xué)朱國(guó)瑞教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)Ka波段加載分布式壁損耗介質(zhì)的回旋行波管開(kāi)展了理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得了良好的效果。

但當(dāng)頻率到達(dá)W 波段及以上頻段時(shí)，由于尺寸的進(jìn)一步減小，衰減介質(zhì)的工藝難度進(jìn)一步提升，加之其對(duì)溫度敏感、易碎的特點(diǎn)，因此加載衰減介質(zhì)的方法達(dá)到了瓶頸。但通過(guò)在回旋行波管高頻結(jié)構(gòu)中引入衰減抑制寄生振蕩這一核心思想得到了發(fā)展[8]。麻省理工學(xué)院基于開(kāi)放波導(dǎo)的思路，在140 GHz 的回旋行波管研制中，采用共焦波導(dǎo)作為高頻結(jié)構(gòu)，利用共焦波導(dǎo)的衍射損耗抑制寄生振蕩，成功研制出峰值功率30 kW 的準(zhǔn)光回旋行波管[9-10]。

針對(duì)大功率、寬帶寬太赫茲源的目標(biāo)，基于電子回旋脈塞原理，本文選擇準(zhǔn)光波導(dǎo)作為高頻結(jié)構(gòu)，在大氣窗口的中心頻點(diǎn)之一0.34 THz，利用數(shù)值仿真方法，設(shè)計(jì)了針對(duì)準(zhǔn)光波導(dǎo)場(chǎng)分布的電子槍，開(kāi)展太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管注波互作用提升研究。

1 理論分析

回旋行波管的原理是基于對(duì)流不穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)電磁波的放大，回旋行波管工作在高頻結(jié)構(gòu)與電子注色散曲線相切點(diǎn)的附近，電子的色散關(guān)系為

波導(dǎo)的色散曲線為

式（1）、（2）中：ω 為電磁波或電子的角頻率，Ω 為電子在不考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的回旋角頻率，υz為電子的縱向速度，kz和kt分別為波導(dǎo)的縱向和橫向波數(shù)，s為諧波次數(shù)，c為真空中的光速，γ 是與電子速度有關(guān)的相對(duì)論因子。準(zhǔn)光波導(dǎo)的工作模式選擇為TE06，考慮TE15、TE05、TE14 和TE04 為主要競(jìng)爭(zhēng)模式，在340 GHz附近，準(zhǔn)光波導(dǎo)的色散關(guān)系如圖1 所示。

圖1 準(zhǔn)光波導(dǎo)的色散曲線

準(zhǔn)光波導(dǎo)利用其開(kāi)敞結(jié)構(gòu)破壞部分模式的場(chǎng)分布，而對(duì)于不同的模式場(chǎng)分布不同，因此不同模式的衍射損耗是不同的，具有模式選擇特性。準(zhǔn)光波導(dǎo)中TE06 模式的場(chǎng)分布如圖2 和圖3 所示，在其開(kāi)敞處由于衍射導(dǎo)致場(chǎng)分布很弱，準(zhǔn)光波導(dǎo)的場(chǎng)分布在橫向（x方向）呈高斯分布，而在縱向（y方向）呈駐波分布。對(duì)于傳統(tǒng)的環(huán)形電子槍，如圖2 所示，在敞開(kāi)處由于場(chǎng)很弱，因此這部分區(qū)域的電子參與互作用程度很弱，其互作用效率必然較低。針對(duì)準(zhǔn)光波導(dǎo)場(chǎng)分布的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了非軸對(duì)稱的扇形電子槍，如圖3 所示。扇形的電子注在角向不是連續(xù)分布的，為了提升互作用效率，電子僅處于場(chǎng)比較強(qiáng)的位置。

圖2 傳統(tǒng)的環(huán)形電子注

圖3 扇形電子注

2 數(shù)值仿真

利用三維PIC（Particle in Cell）數(shù)值仿真軟件，建立太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管注波互作用PIC 仿真模型，在抑制寄生模式的同時(shí)使工作模式得到放大，得到最優(yōu)的太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管注波互作用設(shè)計(jì)參數(shù)，基于太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管注波互作用數(shù)值仿真模型，探究準(zhǔn)光波導(dǎo)情況下太赫茲回旋行波管的注波互作用規(guī)律，獲得太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管注波互作用的最優(yōu)參數(shù)，在確保工作模式的輸出功率最大的同時(shí)抑制寄生模式。

通過(guò)調(diào)節(jié)各參數(shù)，將輸入耦合器將圓波導(dǎo)中的TE11模式經(jīng)過(guò)鏡面兩次反射后進(jìn)入準(zhǔn)光波導(dǎo)，并在準(zhǔn)光波導(dǎo)中激勵(lì)起TE06 模式。在輸入耦合器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上引入高壓電子注，電子注與輸入耦合器中的電磁場(chǎng)相互作用，將高頻結(jié)構(gòu)中的電磁波放大并輸出。為了實(shí)現(xiàn)太赫茲電磁波的放大，一般需要互作用高頻區(qū)域達(dá)到一定的長(zhǎng)度，但長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起寄生模式的返波振蕩。為了抑制太赫茲回旋行波管的返波振蕩，這里將高頻互作用區(qū)域通過(guò)引入衰減段分為3 部分，如圖4 所示，圖4 中電子槍為傳統(tǒng)的環(huán)形電子槍。為了印證改變電子槍或電子注形狀以提升準(zhǔn)光回旋行波管注波互作用效率的猜想，在仿真軟件中特地設(shè)計(jì)了發(fā)射扇形電子注的電子槍結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖4 三段式準(zhǔn)光波導(dǎo)互作用結(jié)構(gòu)圖

圖5 扇形電子槍結(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果

假定輸入的太赫茲波為0.25 W，經(jīng)過(guò)互作用區(qū)域的相互作用后放大工作模式的電磁波能量，環(huán)形電子注的輸出功率如圖6 所示，輸出功率在1 ns 左右達(dá)到峰值，在輸出端的功率放大至2 kW。扇形電子注的輸出功率如圖7 所示，從圖7 中可以看出，由于互作用效率的提升，輸出功率提前在0.5 ns 左右達(dá)到峰值，且在相同的工作參數(shù)下，最終的輸出功率達(dá)到了6 kW 左右。整個(gè)互作用區(qū)域的電磁分布截面圖如圖8 所示，為了清晰地看到內(nèi)部電磁場(chǎng)的狀態(tài)，這里只截取了輸入耦合器和三段式放大區(qū)中前兩段的截面圖，從圖8 中可以明顯看出電磁波的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大的過(guò)程。

圖6 環(huán)形電子注太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管輸出功率

圖7 扇形電子注太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管輸出功率

圖8 太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管場(chǎng)分布截面圖

最終的0.34 THz 準(zhǔn)光回旋行波管工作參數(shù)見(jiàn)表1，準(zhǔn)光波導(dǎo)的鏡半徑為2.85 mm，鏡寬為1.1 mm，準(zhǔn)光波導(dǎo)工作模式選取為TE06 模式，工作電壓為70 kV，電子注電流為3 A，外部穩(wěn)恒磁場(chǎng)為12.25 T，電子注引導(dǎo)中心半徑為0.75 mm，橫縱速度比選擇為1.2，在輸入功率為25 W 的情況下，獲得了大于5 kW 的輸出功率。

表1 0.34 THz 太赫茲回旋行波管工作參數(shù)

4 結(jié)論

根據(jù)準(zhǔn)光波導(dǎo)電磁場(chǎng)分布的特點(diǎn)和回旋行波管注波互作用的理論基礎(chǔ)，本文對(duì)0.34 THz 準(zhǔn)光回旋行波管開(kāi)展了注波互作用的數(shù)值仿真研究。針對(duì)準(zhǔn)光波導(dǎo)場(chǎng)分布的特點(diǎn)，采用特殊的扇形電子注，與普通的磁控注入電子槍相比，僅產(chǎn)生發(fā)射帶的變化，對(duì)電子槍的制造工藝影響很小。相較于傳統(tǒng)的環(huán)形電子注，準(zhǔn)光回旋行波管采用扇形電子注可以使互作用效率提高1 倍左右，扇形電子注在太赫茲準(zhǔn)光回旋行波管中具有優(yōu)勢(shì)。