新型径向高功率毫米波慢波结构研究

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摘 要 本文研究一种用于W波段高功率微波源的新型径向波慢波结构腔。这种径向慢波结构腔在大的半径情况下，能够通过几十吉瓦功率的大电流，适合于吉瓦级的高功率微波源。它是对称结构，能够比较方便地采用二维半软件做电磁场和粒子模拟计算分析，将在高功率微波器件中得到广泛地应用。文中分析了慢波结构中的电磁场分布特点，在大尺寸情况近似下，得到了对称场分布的色散特性。并由数字计算实验方法验证了理论分析结果。

关键词 径向波慢波结构；高功率微波；色散特性；带状电子束；W波段

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）12-0042-02

高功率毫米波，亚毫米波在定向能、雷达、电子高能RF加速器、等离子加热、激光泵浦、功率射束等方面有重要的应用。受到这些应用的牵引，高功率毫米波，亚毫米波器件的研究得到各国的重视。在利用电子束产生高功率微波的电真空器件方面，主要的问题是短波长情况下的小结构波导，与高功率电子束的矛盾，由于空间电荷限制电流定律的限制，产生高功率微波所需要的电子束功率也受到限制。为了解决这个矛盾，采取的主要技术路线有：极大地提高电子束电压，正如自由电子激光器那样电子束电压10 MV量级，但这需要大型的特殊电子加速器；采用过模结构的波导，比如Cerenkov多波发生器；采用多束电子，比如多束速调管等；采用带状电子束等。

有一种新型径向慢波结构高功率微波源。它由径向慢波结构、产生径向磁场线圈、径向慢波腔、二极管阳极、二极管阴极等部分组成。 产生电子束的二极管采用大半径的同轴阴极，阴极材料为场致爆炸发射铁氧体，它的发射电流可以达到400 A/cm2，如果阴极半径为250 cm，电子束厚度为1 mm，那么在500 kV电压下，可以产生超过6 kA毫米级薄形径向电子束。这个薄形径向电子束在电流线圈产生的径向磁场的引导下，穿过几个毫米宽的径向慢波结构腔，与里面的电磁场慢波同步，激励产生高功率的微波辐射。

这种结构有点类似与前面提到的带状电子束结构，但与研究的比较多的普通带状电子束结构有很大的不同。普通带状电子束结构采用平面矩形结构，这种三维结构的分析计算需要三维的模型和软件，非常大的计算机内存空间。而径向慢波结构在圆对称情况下，能够用二维半的软件来分析。从几何拓扑结构上比普通结构看更符合空间‘美’。

但是对于型径向慢波结构的电磁场分析的文献非常少，下面主要对用于高功率微波源的这种结构的电磁场及其特性进行理论分析研究。

1 径向慢波结构中的电磁场

采用径向慢波结构谐振腔激励方法来测量慢波色散特性。在如图4中由10个周期的径向慢波构成的谐振腔中，在一端的中央用径向方向的探针激励电磁场，这样激励起的场是奇对称的慢波电磁场。在一端用探针探测电磁场，根据慢波结构谐振腔的理论，探测到的谐振点对应基摸半波数pβ/π，应该在n/10（n=1，2…10）位置。图5是通过数值计算得到的径向慢波结构谐振腔奇模谐振曲线，图中的前面的谐振点分别对应最低慢波曲线在基摸半波数pβ/π的n/10（n=1，2…10）位置的频率。数值仿真计算实验结果与前面解析理论分析结果在表1中。因为数值仿真计算实验中，是对没有大直径近似的径向慢波结构，从表1中可以看到两者吻合得非常好。

4 结论

本文提出一种新型径向慢波结构，该结构能够通过1 mm厚的能量超过几十吉瓦的薄形径向电子束。它适合于高功率微波器件使用。

分析了在大结构尺寸近似情况下，径向慢波结构中的慢波场分布。在径向结构中，向外传播的电磁波，幅度在减小，幅度与半径的平方根成反比，比较适合作放大器；相反，向内传播的电磁波结构适合于作振荡器微波器件。

通过理论分析，得到了在大结构尺寸近似情况下，径向慢波结构中对称场的色散特性。并通过电磁场仿真数字计算实验的方法验证了结果的正确性。前面得到的对称慢波场的色散特性对于设计采用这种结构的高功率微波器件有非常重要的指导意义。

基金项目

高功率微波技术重点实验室基金（2012-LHWJJ.003）

参考文献

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