220 GHz高功率微波信號源的設(shè)計與仿真

張 海，邵洋洲

（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門,361021）

0 引言

高功率微波器件（HPM）是指峰值功率超過100MW，頻率在1GHz到300GHZ之間，跨越厘米波和毫米波范圍的微波器件。近十年來，在軍事、民用和科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)Ω吖β省⒏哳l率、更高能量微波源的強(qiáng)烈需求推動下，高功率微波已經(jīng)形成了一門新技術(shù)。它既有一些新的應(yīng)用，又能夠?qū)ΜF(xiàn)實的某些應(yīng)用提供創(chuàng)新的方法，在定向能武器、雷達(dá)、電子高能RF加速、等離子體加熱、激光泵浦、功率束射方面都具有廣泛的應(yīng)用價值。現(xiàn)有高功率微波器件的性能正在不斷的成熟與完善，新的高功率微波器件還在不斷的產(chǎn)生。

在某些特殊的應(yīng)用場合（例如：非破壞性波譜分析和長距離物體成像研究），必須要使用高功率、高頻率的微波信號源，而且，當(dāng)微波與物質(zhì)相互作用時，會激勵起一種非線性效應(yīng)，研究這種非線性現(xiàn)象也必須要用到高功率、高頻率的微波輻射源。因此，隨著微波科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對高功率、高頻率微波信號源的需求大大提高。到目前為止，該類信號僅可以通過等離子體電子學(xué)的方法和真空電子學(xué)的手段來產(chǎn)生。所以，可以說微型真空電子器件必將在該領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。近年來，已有很多這方面的研究成果。

1 工作原理

高功率微波源的種類很多，本文主要研究其中一種，即返波振蕩器（簡稱返波管）。圖1為返波管的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括：電子槍、慢波系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)和輻射喇叭等。其中，慢波系統(tǒng)是返波管的注-波互作用區(qū)，它的作用是把結(jié)構(gòu)波的相速減小到小于真空中光速，使結(jié)構(gòu)波相速和電子速度能夠滿足Cherenkov同步條件。由于周期性慢波系統(tǒng)的每一個模式或結(jié)構(gòu)波都包含著無窮多個空間諧波，電子束實際上是與其中某一個模式（如TM01模）的負(fù)一次空間諧波發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生和放大電磁波。工作時，由電子槍產(chǎn)生的薄的環(huán)形電子束在引導(dǎo)磁場的約束下進(jìn)入慢波系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)波的負(fù)一次空間諧波相互作用。先進(jìn)入慢波系統(tǒng)的電子束與結(jié)構(gòu)波發(fā)生作用，產(chǎn)生強(qiáng)度較小的微波。輻射的能量沿著與電子束運(yùn)動方向相反的方向傳播，進(jìn)一步與隨后進(jìn)

圖1 返波管結(jié)構(gòu)示意圖

入的電子相互作用，形成正反饋。這樣，微波信號被迅速放大，直至達(dá)到非線性飽和。最后，信號在慢波系統(tǒng)的起始端被反射，重新經(jīng)過慢波系統(tǒng)后進(jìn)入傳輸波導(dǎo)和模式轉(zhuǎn)換器、天線輻射系統(tǒng)。

2 設(shè)計與仿真

2.1 粒子模擬的基本原理

粒子模擬方法PIC（Particle-in-Cell）是一種高效、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的計算機(jī)模擬方法。它是建立在當(dāng)代高性能計算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)之上的。粒子模擬方法的主要思路如下：首先將連續(xù)的空間進(jìn)行離散化，即形成空間網(wǎng)格；其次，將電磁場量（電場、磁場等）也進(jìn)行離散，并離散分布在各個節(jié)點上；

最后，再根據(jù)牛頓—洛侖茲力方程將帶電粒子的運(yùn)動狀態(tài)求出，這就完成了一個循環(huán)。之后，再用同樣的方法計算下一個時間步，求出下一時刻電荷粒子的運(yùn)動狀態(tài)和空間位置。而這些所求得的物理量需要再進(jìn)行統(tǒng)計平均之后，才可以得到大量微觀粒子的宏觀運(yùn)動規(guī)律及相關(guān)信息。

在實際計算過程中，一個粒子需要由六個物理量來描述，分別為三個空間坐標(biāo)和三個速度分量坐標(biāo)，它們構(gòu)成了表述粒子狀態(tài)的一個完整向量。而當(dāng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對稱性時，可以不考慮粒子及場的角向分布情況，此時粒子的位置和場的各分量都可用二維坐標(biāo)來描述，但粒子的速度仍需要用三維量描述，這種方法稱為2.5 維粒子模擬方法。粒子模擬的基本流程如圖2所示。

2.2 器件性能的仿真研究

圖3為高功率返波管的物理模型，該模型關(guān)于Z軸旋轉(zhuǎn)對稱，由環(huán)形陰極、陽極、準(zhǔn)直孔、慢波系統(tǒng)、后漂移段、錐形波導(dǎo)及輸出波導(dǎo)等組成。模型

工作時，在外加電壓作用下，陰極表面爆炸發(fā)射產(chǎn)生環(huán)形電子束。在軸向引導(dǎo)磁場的作用下，電子束沿器件內(nèi)表面?zhèn)鬏敚来谓?jīng)過準(zhǔn)直孔、慢波系統(tǒng)、后漂移段，最后被錐形波導(dǎo)內(nèi)表面吸收。在束-波互作用區(qū)中，電子束與慢波系統(tǒng)發(fā)生Cherenkov 互作用獲得速度調(diào)制，經(jīng)過一段距離的漂移后，這種速度調(diào)制轉(zhuǎn)化為密度調(diào)制并形成群聚。群聚良好的電子束再次與慢波系統(tǒng)發(fā)生有效的Cherenkov 相互作用，產(chǎn)生高功率微波。

本文研究了電子束電壓和外加磁場對振蕩器輸出特性的影響。圖4a所示為器件性能隨輸入電壓波幅值的變化關(guān)系。由圖可見，隨著的升高，工作頻率逐漸降低，這與傳統(tǒng)返波管的頻率調(diào)諧特性剛好相反。這說明，該振蕩器工作在零次諧波段，因為

圖2 粒子模擬流程圖

圖3 220 GHz返波管計算模型

只有在前向波區(qū)域才會具有這樣的頻率調(diào)諧特性。圖4b所示為器件工作特性隨磁場強(qiáng)度的變化關(guān)系。可以看到，隨著磁場的增強(qiáng)，輸出功率明顯升高，當(dāng)磁場強(qiáng)度大于3.0 T后，輸出功率趨于穩(wěn)定；而振蕩頻率受磁場的影響并不大，基本保持在224 GHz左右。根據(jù)以上分析，我們選擇注入波電壓Um=120 kV、引導(dǎo)磁場強(qiáng)度B=4.0 T。此時，可以獲得約224 GHz、4.8 MW的信號功率輸出。

圖5為在以上結(jié)構(gòu)參數(shù)及電子束參數(shù)下，器件正常工作時的輸出信號波形及其頻譜特性。由圖可見，信號在1.0 ns時開始起振并迅速增長，在2.3 ns時達(dá)到飽和，隨后便保持等幅正弦振蕩。其頻譜特性表明，信號振蕩頻率約為224 GHz，且模式唯一。

3 結(jié)論

高功率、高頻率微波信號源是微波技術(shù)領(lǐng)域里一個方興未艾的研究課題，其兆瓦量級的輸出功率可用于軍用雷達(dá)和導(dǎo)航系統(tǒng)中。本文通過仿真模擬的方法對返波管進(jìn)行了物理設(shè)計和性能優(yōu)化。在注入波電壓Um=120 kV、引導(dǎo)磁場B=4.0 T條件下，獲得了頻率224 GHz、功率4.8 MW的信號輸出。

圖4 振蕩器輸出特性隨工作參數(shù)的變化情況

圖5 微波信號的時域波形及其頻譜特性

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