軸向輸出TE10模式的緊湊型相對論磁控管的粒子模擬*

?

軸向輸出TE10模式的緊湊型相對論磁控管的粒子模擬*

史迪夫，錢寶良，王弘剛，李偉

(國防科技大學 光電科學與工程學院，湖南 長沙410073)

摘要：研究了一種軸向輸出TE10模式的緊湊型相對論磁控管，該器件采用6諧振腔結構并工作在π模式上，通過4腔軸向輸出的結構設計使得諧振腔結構與矩形輸出波導之間形成了較好的過渡，實現了矩形TE10模式的微波輸出。與衍射輸出相對論磁控管相比，這種結構設計不僅能減小磁控管的軸向和徑向的尺寸，使得系統更加緊湊化，而且能在輸出波導中獲得更加純凈的低階微波模式。利用粒子模擬軟件，初步分析和優化了器件的工作性能。模擬結果表明：當電壓為500kV，磁場為0.5T時，該器件的工作頻率為2.58GHz，輸出功率為1.0GW，功率轉換效率達到25.0%。

關鍵詞：相對論磁控管；軸向輸出；TE10模式；緊湊型

Benford從研制實用型的高功率微波系統角度出發，指出了未來高功率微波源的四個發展方向[1]：全面減小系統尺寸和重量，提高功耗比；高重復頻率工作；頻率可調諧；長壽命。為了滿足未來高功率微波源的發展應用需求，具有結構簡單、效率高、頻率可調、適合長脈沖和高重復頻率運行等特點的相對論磁控管成了人們廣泛和深入研究的對象之一[2]。相比徑向輸出相對論磁控管而言，結構更加緊湊的軸向輸出相對論磁控管在全面減小系統尺寸和重量方面具有更大的優勢，因而成為近期研究的一大熱點。

2011年，國防科技大學李偉博士等針對軸向輸出相對論磁控管互作用區中的電子束長距離軸向漂移的問題，提出了一種改進型外加磁場結構，不僅提高了功率轉換效率，而且減小了軸向輸出結構的軸向尺寸[3]；2012年，他們以實驗驗證了該外加磁場結構的作用[4]。2012年，美國新墨西哥大學Leach博士等通過在磁控管的軸向輸出端口直接連接一個與磁控管半徑尺寸相同的輸出圓波導，研究了磁控管中不同數目的輸出腔對輸出特性的影響；粒子模擬表明該新型軸向輸出結構使得整個系統結構在軸向上和徑向上更加緊湊化和小型化，從而使得軸向電子束漂移距離更短，外加磁場系統更緊湊，輸出模式TE11更純凈;結構未經優化的該磁控管工作頻率為2.44GHz，輸出功率為520MW，功率轉換效率在14%左右[5]。2012年，美國新墨西哥州空軍研究實驗室Hoff等提出一種全腔提取結構的相對論磁控管，提取結構采用徑向耦合孔與扇形波導耦合輸出，使結構更加緊湊[6]。2014年，中國北京應用物理與計算數學研究所楊郁林等在此基礎上結合透明陰極技術，研究了一種全腔提取結構透明陰極相對論磁控管，該磁控管在1.375GHz的工作頻率下，獲得了TEM模式2.98GW的功率輸出，效率達到54%[7]。

目前，國際上對軸向輸出相對論磁控管的研究工作雖然在實現不同輸出模式、提高功率轉換效率、減小系統尺寸和重量以及提高輸出模式純度等方面取得了較大進展，但關于同時能使輸出模式更純凈、整個系統更緊湊且功率轉換效率較高的軸向輸出相對論磁控管的報道較為少見。為此，本文研究了一種軸向輸出TE10模式的緊湊型相對論磁控管。

1計算模型

利用三維粒子模擬軟件CHIPIC[8]在柱坐標下對軸向輸出TE10模式的緊湊型相對論磁控管建立計算模型，如圖1所示。本模型采用了典型的6諧振腔結構[9]。為了提高功率轉換效率和減小起振時間，在陽極內表面采用了凹槽與突起結構[10-11]。

如圖1(a)所示，磁控管的諧振腔結構主要由6個扇形陽極和1個圓柱形實心陰極構成。其中，陰極半徑Rc=10.0mm，陽極半徑Ra=21.0mm，諧振腔半徑Rv=41.1mm，諧振腔張角θ=20°。陽極內表面上的凹槽與突起結構的徑向深度均為Δr=1.0mm，角向寬度θr和θp均為5°，其軸向長度與陽極的軸向長度均為H=72.0mm。

如圖1(b)和圖1(c)所示，在磁控管的6個諧振腔中選取2個角向相對的諧振腔，命名為非輸出腔，其余4個諧振腔命名為輸出腔。2個非輸出腔均軸向連接到一個張角為20°，軸向長度Hf=30.0mm的扇形波導上。4個輸出腔以角向旋轉的方式軸向過渡到同一個矩形波導上。磁控管中的互作用區以徑向漸變的方式也軸向過渡到該矩形波導上。該矩形波導與磁控管諧振腔之間的軸向距離Hs=100.0mm，其橫截面的長度和寬度分別為L=82.2mm和W=24.0mm。

(a) A6磁控管橫截面(a) Horizontal cross section of the A6 magnetron

(b) 緊湊型磁控管縱剖面(b) Vertical section of the compact magnetron

(c) 緊湊型磁控管內部的真空立體圖(c) 3D view of the inner space of the compact magnetron

(d) 緊湊型磁控管的立體圖(d) 3D view of the compact magnetron圖1　緊湊型磁控管結構Fig.1　Structure of the compact magnetron

計算模型中，磁控管左端的同軸結構為電功率的輸入端，右端的矩形波導結構為微波的輸出端。陰極采用爆炸電子發射，外加電壓設置為500kV，外加磁場在互作用區的大小設置為0.5T。

2模擬結果

根據以上建立的計算模型，利用三維粒子模擬軟件CHIPIC對軸向輸出TE10模式的緊湊型相對論磁控管進行了模擬計算，其模擬結果如圖2所示。

(a) 外加輸入電壓(a) Applied input voltage versus time

(b) 外加軸向磁場(b) Applied axial magnetic field

(c) Rθ橫截面上電子束分布(c) Electron beam distribution in the Rθ cross sectionof the magnetron

(d) RZ縱剖面上電子束分布(d) Electron beam distribution in the RZ verticalsection of the magnetron

(e) 輸入功率(e) Input power versus time

(f) 工作頻率(f) Working frequency

(g) 輸出功率(g) Output power versus time

(h) 輸出模式(h) Radiated mode of output port圖2　模擬結果Fig.2　Simulation results

圖2(a)表明加在磁控管陰陽極之間的輸入電壓在經過5ns后達到500kV。圖2(b)表明加在磁控管互作用區的軸向磁場為0.5T。圖2(c)給出了32ns時在磁控管Rθ橫截面上電子輪輻的運動狀態，表明該磁控管工作在π模式上，該模式的電場分布為輸出端的矩形波導輸出TE10模式微波提供了有利條件。圖2(d)給出了32ns時在磁控管RZ縱剖面上電子束的運動狀態，表明從互作用區泄漏的大多數電子在軸向漂移到矩形輸出波導之前能夠盡快打在過渡結構上，從而減小了泄漏電子對輸出微波能量的吸收概率。圖2(e)表明磁控管輸入的電功率為4.01GW。圖2(f)表明磁控管的工作頻率為2.58GHz，且頻譜單一性較好。圖2(g)表明矩形輸出波導口面的微波功率在經過25ns后達到飽和，為1.0GW，相應的功率轉換效率達到25.0%。這里的微波起振時間較長，主要是因為磁控管的6個諧振腔工作在π模式時電場分布具有3個角向對稱周期，而矩形輸出波導在提取微波時提取了其中4個諧振腔中的微波，這4個輸出腔的電場分布只具有1個角向對稱周期，這種不一致性導致了微波起振時間的增加。圖2(h)表明矩形波導輸出的模式為矩形TE10模式。由于矩形波導橫截面尺寸的限制，工作頻率為2.58GHz的微波能在這個矩形波導中傳播的只有TE10模式，因此輸出的微波模式純凈單一。

與衍射輸出相對論磁控管(Magnetron with Diffraction Output,MDO)相比，如圖3所示，由于采用了與磁控管諧振腔徑向尺寸相近的軸向輸出結構，而不是MDO中徑向尺寸較大的陽極漸變輸出結構，因而所研究的緊湊型磁控管能夠有效減小輸出結構的徑向尺寸和軸向尺寸，這不僅減小了外加磁場線圈的體積和重量，使得整個系統更加緊湊化和小型化，而且便于外加磁場線圈環繞在磁控管的外圍圓周空間區域，使得互作用區中軸向磁場的分布更加均勻，電子束與微波的相互作用更加充分，另外還減小了泄漏電子的漂移距離，從而減小了泄漏電子對輸出微波能量的吸收概率，提高了功率轉換效率。

(a) MDO及其軸向磁場分布的示意圖(a) Schematic diagram of the MDO and its axialmagnetic field distribution

(b) 緊湊型磁控管及其軸向磁場分布的示意圖(b) Schematic diagram of the compact magnetronand its axial magnetic field distribution圖3　MDO與緊湊型磁控管的比較Fig.3　Comparison between the MDO andthe compact magnetron

3結論

本文研究的軸向輸出TE10模式的緊湊型相對論磁控管與衍射輸出相對論磁控管相比，其結構設計不僅能減小磁控管的軸向和徑向的尺寸，使得系統更加緊湊化，而且能在輸出波導中獲得更加純凈的低階微波模式。利用粒子模擬軟件，初步分析和優化了器件的工作性能。模擬結果表明：當電壓為500kV，磁場為0.5T時，該器件的工作頻率為2.58GHz，輸出功率為1.0GW，功率轉換效率達到25.0%。這一結果為結構更加緊湊、模式更加純凈、效率更高的軸向輸出相對論磁控管的進一步研究提供了參考。

參考文獻(References)

[1]Benford J. Making HPM practical[C]//IEEE International Conference Record-Abstract, Plasma Science, 1995: 241.

[2]Benford J, Swegle J A, Schamiloglu E. High-power microwaves[M]. 2nd ed. Norwood, Massachusetts: Artech House, 2006: 259-320.

[3]Li W, Liu Y G. Modified magnetic field distribution in relativistic magnetron with diffraction output for compact operation[J]. Physics of Plasmas, 2011, 18(2): 023103-1-023103-4.

[4]Li W, Liu Y G, Shu T, et al. Experimental demonstration of a compact high efficient relativistic magnetron with directly axial radiation[J]. Physics of Plasmas, 2012, 19(1): 013105-1-013105-4.

[5]Leach C, Prasad S, Fuks M I, et al. Compact relativistic magnetron with Gaussian radiation pattern[J]. IEEE Transactions on Plasma Science,2012,40(11):3116-3120.

[6]Hoff B W, Greenwood A D, Mardahl P J, et al. All cavity-magnetron axial extraction technique[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2012, 40(11): 3046-3051.

[7]楊郁林, 董志偉, 王冬. 相對論全腔提取磁場管理論分析與數值模擬[J]. 微波學報, 2014, 30: 402-404.

YANG Yulin, DONG Zhiwei, WANG Dong. A study on the transparent cathode in the relativistic all cavity magnetron[J]. Journal of Microwaves, 2014, 30: 402-404. (in Chinese)

[8]Zhou J, Liu D, Liao C, et al. CHIPIC: an efficient code for electromagnetic PIC modeling and simulation[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2009, 37(10): 2002-2011.

[9]Palevsky A, Bekefi G. Microwave emission from pulsed, relativistic e-beam diodes II：the multiresonator magnetron[J]. Physics of Fluids, 1979, 22(5): 986-996.

[10]Kim J I, Won J H, Park G S. Electron prebunching in microwave magnetron by electric priming using anode shape modification[J]. Applied Physics Letters, 2005, 86(17): 171501-1-171501-3.

[11]Shivendra M, Singh V V P, Jain P K. Three-dimensional particle-in-cell simulation of fast oscillation startup and efficiency improvement in a relativistic magnetron with electric priming[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2012, 40(10): 2686-2692.

Simulation study on compact relativistic magnetron with TE10mode axial output

SHIDifu,QIANBaoliang,WANGHonggang,LIWei

(College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：A compact relativistic magnetron with axial output for TE10mode was investigated. This magnetron with 6 resonant cavities operates at π-mode and can well transit between resonant cavities and rectangular output waveguide through the structure design of 4 cavities axial output, which realizes the microwave output of rectangular TE10mode. Compared with the magnetron with diffraction output (MDO), this design not only makes both the diameter and the axial length of the magnetron minimized so that the whole system can be more compact, but also provides a much purer output mode of a low order in the output waveguide. The operating performance of the magnetron has been analyzed and optimized by using particle-in-cell simulation software. Simulation results show that the power conversion efficiency can reach to 25.0%, corresponding to the output power of 1.0GW and the working frequency of 2.58GHz, under the condition of the applied voltage of 500kV and the applied magnetic field of 0.5T.

Key words：relativistic magnetron; axial output; TE10mode; compactness

中圖分類號：TN128

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2015)02-032-04

收稿日期：2015-03-13基金項目：國家自然科學基金資助項目(51377164)

作者簡介：史迪夫(1987—)，男，重慶北碚人，博士研究生，E-mail：shidifu119@aliyun.com；錢寶良(通信作者)，男，教授，博士，博士生導師，E-mail：blqian@163.com

doi:10.11887/j.cn.201502008

http://journal.nudt.edu.cn