８ｍｍ同軸擴展互作用振蕩器（ＥＩＯ）的粒子模擬研究

摘 要：提出了一種新型同軸毫米波擴展互作用振蕩器，并采用MAGIC粒子模擬軟件對其進行數值模擬，分析了工作參數對輸出功率的影響，獲得了工作參數的優化值。模擬結果表明該器件在8 mm波段能產生頻譜特性良好的功率為17.5 kW的微波輸出。

關鍵詞：EIO;同軸高頻系統;粒子模擬;MAGIC

中圖分類號：TN129 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1700103

Particle Simulation of 8 mm Coaxial Extended Interaction Oscillator(EIO)

YE Jiruo，YAN Yang

(College of Physical Electronics，University of Electronic Science Technology of China，Chengdu，610054，China)

Abstract：A new type of coaxial millimeter-wave extended interaction oscillator is developed.The MAGIC particle simulation software is uesd to investigate the dependence of the output power on the operation parameters and the optimum operation parameters for the device are obtained.The simulation results show that this device can generate microwave power of 17.5 kW in 8 mm wave band.

Keywords：EIO;coaxial high-frequency system;particle simulation;MAGIC

1 引 言

毫米波指工作頻率為26.5～300 GHz范圍內的電磁波，由于具有頻帶寬、波束窄等優點，在軍事和民用兩個方面都有誘人的應用前景，目前在國際上是一個很活躍的研究領域。擴展互作用振蕩器(EIO)和放大器（EIA）是一類重要的毫米波電真空器件，它把行波管的寬帶特性及速調管高增益、高效率優點結合起來，是一種既有高的增益和效率，又有足夠帶寬的新器件。與普通速調管類似，擴展互作用速調管由兩個或多個諧振腔構成，每個諧振腔由慢波系統構成，當電子注與諧振腔內慢波同步時，產生有效的注波互作用，由于電子注的調制在慢波系統上進行，因而具有較寬的頻帶及較高的互作用效率。經研究發現擴展互作用振蕩器和放大器十分適合工作在毫米波波段，已經發展成為一類重要的大功率毫米波器件，目前正在向更高頻率及更高輸出功率發展^［1，2］。

當前的毫米波EIO采用實心電子注，互作用腔體體積較小，輸出功率受到限制^［3，4］。本文提出的同軸結構EIO采用環形電子注，可比實心電子注傳輸更大的電流且減少空間電荷限流的影響，高頻系統采用同軸結構擴大互作用空間，減少模式競爭，有望在高的工作頻率下獲得高輸出功率。

2 高頻系統分析

本文設計的高頻系統的結構如圖1所示，它由引導磁場a、準直孔b、第一段慢波結構SWS1、漂移段c、第二段慢波結構SWS2、輸出喇叭d和輸出波導e組成。由電子槍發射的環形電子注在外加磁場的引導下經過準直孔進入慢波結構。電子注經過第一段慢波結構SWS1處獲得預調制，預調制束的狀態在漂移段c處不斷變化，到第二段慢波結構SWS2處束的群聚狀態達到最佳，此時與慢波結構的TM₀₁模發生有效的行波相互作用，把能量交給微波場，向前傳播的波由輸出喇叭輸出。

該器件各部分的設計思想及功能如下：

(1) SWS1主要起對電子束進行預調制的作用。因此，所用的慢波結構參數要與束電壓相匹配，以保證束波同步使束產生速度調制。此外，根據理論分析，要使進入SWS2時的束群聚狀態最佳，要求束從SWS1離開時有適當的速度調制及較小的密度調制，因而SWS1的周期數不宜太多。但當SWS1的周期數較少時，僅靠其自身難以與束發生有效相互作用而使其獲得速度調制，實際上這種預調制還要借助于SWS2反射部分微波至SWS1來實現。

(2) 漂移段主要起著將束在SWS1獲得的速度調制通過漂移運動轉換為密度調制的作用。漂移段的長度將關系到預調制束進入SWS2時的群聚狀態，這一點類似于速調管，不同的是這里的漂移段對束波作用產生的微波不截止，它與兩端的慢波結構構成Bragg諧振腔^［5］，其中的微波場有一定的注波成分，電子束在其中漂移時會與注波場發生相互作用而產生渡越時間效應，這將對電子束進入SWS2的調制狀態產生影響。

(3) SWS2是發生有效束波作用、束將能量交給波的主要區域，電子束在其中與TM₀₁模發生行波相互作用。

這一點可以通過選擇慢波結構參數，使得在器件工作電壓下，束的Doppler線與慢波結構色散線的交點位于TM₀₁模行波區，以使產生的微波向前傳輸。

3 粒子模擬結果

MAGIC是一種公認的能正確處理帶電粒子與電磁場互作用的粒子模擬程序，它是美國Mission Research Corporation公司于1978 年開發出來的，歷經二十余年的發展已成為粒子模擬領域的權威，現廣泛用于模擬分析各種微波器件的注波互作用過程。經研究發現，MAGIC粒子模擬的結果和實際制作出來的微波器件的測試數據是相當吻合的，故本器件采用MAGIC粒子模擬程序進行模擬。

MAGIC模擬模型如圖2所示，模擬中在準直孔的入口處加了一塊金屬板近似代替電子槍發射電子，電子數密度在整個環形發射面上是均勻的，電子束保持在互作用區的中心區域，離上下腔體的距離相等。外加引導磁場在注波互作用區均勻分布，在輸出區域磁場逐漸減小，以便電子注向上偏轉，最后打在兼做收集極的輸出喇叭上。

圖3是輸出功率達到飽和后一個時刻t=257.143 ns時的電子軸向動量沿z的相空間分布圖。從圖中可以看出，電子注在SWS1處與自身激勵的電磁波相互作用而獲得速度調制，P_z開始產生比較小波動；在漂移區將速度調制轉換為密度調制，P_z波動比較明顯，并且有一定的減小，說明電磁波開始從電子獲得能量，電磁波被激起；在SWS2處密度群聚進一步發展，P_z出現劇烈的波動，說明束波發生了有效的相互作用；在SWS2的末段，電子的相空間軌跡有些類似螺旋狀，說明電子被波俘獲，束波之間的能量轉換達到動態平衡，即波達到飽和。這一束波作用圖像體現了本文關于EIO高頻系統的設計思想^［6］。

圖4給出了輸出波導最右端處的高頻電壓時間曲線和幅頻特性的圖像。從圖4(a)中可知，約100 ns時刻，注波互作用不穩定開始出現，高頻電壓隨時間按指數規律增長，約220 ns達到飽和。對高頻電壓的時間曲線進行傅里葉變化，得到注波互作用受激輻射的頻譜分布如圖4(b)所示。從圖4(b)中可知，微波振蕩的主頻為35.6 GHz，頻譜上沒有出現其他頻率分量，說明該高頻系統對其他頻率分量的抑制效果良好。

為確定注波互作用受激輻射微波的模式，在輸出功率達到飽和后t=250 ns時抽樣出高頻場E_z分量和B_φ分量沿r的場分布，如圖5所示。從圖5(a)中可知E_z沿r的分布中間有最大值兩端有最小值，從圖5(b)可知B_φ沿r向的分布兩端有最大值中間有最小值，由此得知電子注是與腔中的TM₀₁模式場發生互作用的^［7］。

對輸出波導最右端的截面進行功率流積分，得到截面上輻射功率的時間分布如圖6所示。從圖6可知，器件經輸出喇叭輻射的功率約為17.5 kW。

4 工作參數分析

為了尋求所設計的同軸EIO的優化工作參數，結合本實驗室的制管條件對高頻系統輸出功率與各工作參數的依賴關系進行了模擬和分析，如圖7所示。每次模擬只改變一個參數值， 其他參數不變，所有模擬都是在工作頻率點(35.6±0.5) GHz 進行的。

從圖7(a)中可知，小于0.7 T的磁場對輸出功率的影響不是很大。當B_z小于0.3 T時，模擬中發現電子注會發生明顯的抖動，不利用電子注的聚焦。本實驗室可以提供小于1 T的磁場，考慮到實際的制管采用盡可能小的磁場，故B_z采用0.5 T。在圖7(b)中可知，I_b約為23 A時輸出功率達到最大，由于本實驗室所設計的環形電子槍的最大輸出電流在15 A左右，故I_b采用15 A。由圖7(c)中可知，U_b約為17.4 kV時輸出功率達到最大。本實驗室可以提高小于25 kV的工作電壓，故U_b采用17.4 kV。通過分析各工作參數對輸出功率的影響，結合本實驗室實驗設備所能達到的運行指標，獲得了工作參數的優化值：B_z＝0.5 T，I_b＝15 A，U_b＝17.4 kV，Δr_b＝0.6 mm，r₁=2.0 mm，r₂＝6.6 mm，h_c＝1.5 mm，d＝2.5 mm，L_c＝3.0 mm，L_d＝19.4 mm，N_sws1=7，N_sws2=13。其中Δr_b為電子注厚度，r₁，r₂分別為同軸內外導體半徑，h_c，d，L_c分別為慢波結構腔體的高度、間隙寬度和周期長度，L_d為漂移區長度，N_sws1，N_sws2分別為SWS1區和SWS2區腔體的個數。本實驗室的制管加工精度可以達到0.1 mm，所以在實際制管過程中可以根據模擬得到的工作參數優化值進行實際的制管加工，并在優化值附件對各工作參數進行微調，以便獲得管子的最佳性能。

5 結 語

本文設計了適用于環形電子注的同軸高頻系統，并運用MAGIC粒子模擬軟件對其進行數值模擬，模擬結果體現了器件各部分的設計思想，達到了設計要求。分析了相關工作參數對輸出功率的影響，獲得了滿足實驗要求的各工作參數的優化值。在外加磁場為0.5 T時，獲得了頻譜特性良好的8 mm波段17.5 kW的功率輸出。證實了高頻系統采用同軸結構的可行性和優越性，為下一步的實驗制管打下了基礎。

參 考 文 獻

［1］Day W R，Noland J A.The Millimeter-Wave Extended Interaction Oscillator［J］.Proceedings of the IEEE，1966，54(4):539-543.

［2］Chodorow M Kulke.An Extended-interaction Klystron:Efficiency and Bandwidth［J］.IEEE Trans.on Electron Devices，1966，13(4):439-447.

［3］Cheng L.An Extended Interaction Oscillator Based on a Complex Resonator Structure［J］.IEEE Trans.on Plasma Sci.，2000，28(3):626-632.

［4］Albert Roitman，Dave Berry，Brian Steer.State-of-the-Art W-Band Extended Interaction Klystron for the CloudSat Program［J］.IEEE Trans.on Electron Devices，2005，52(5):859-898.

［5］Chong C K，Mcdermott D B，Razeghi M M，et al.Bragg Reflectors［J］.IEEE Trans.on Plasma Sci.，1992，20(3):393-402.

［6］舒挺，劉永貴.多波切侖柯夫振蕩器的粒子模擬［J］.微波學報，1999，15(1):1-8.

［7］張克潛，李德杰.微波與光電子學中的電磁理論［M］.北京:電子工業出版社，2001.