四腔強流相對論速調(diào)管中高次模振蕩的抑制

　　描述了在四腔強流相對論速調(diào)管模擬設計過程中出現(xiàn)的由于腔間耦合產(chǎn)生的高次模振蕩現(xiàn)象，分析了這種振蕩產(chǎn)生的原因，并從整管結(jié)果上探索了抑制這種高次模振蕩的方法。利用MAGIC模擬軟件，通過研究諧振腔Q 值、漂移管長度、以及束波互作用程度等參數(shù)的變化對腔間耦合的影響，在極小程度降低輸出微波功率的情況，有效抑制了腔間耦合。最終在功率10kW、頻率2.88GHz的注入微波激勵下，獲得了功率3.7GW、效率22%、增益56dB且頻譜純的輸出微波，有效抑制了高次模振蕩。

　　近年來，高功率微波(HPM)器件發(fā)展非常迅速。速調(diào)管的高功率、高效率、高穩(wěn)定性等優(yōu)點使其在HPM 器件發(fā)展過程中，得到了廣泛的研究和應用。然而強流相對論速調(diào)管中，由于其束流強度較大，常常會出現(xiàn)自激振蕩現(xiàn)象。自激振蕩不僅會影響速調(diào)管的效率和增益，嚴重時還會導致器件無法正常工作。產(chǎn)生自激振蕩的機理主要有三種：單腔振蕩，電子回流，腔間耦合。本文研究的是如何抑制在四腔強流相對論速調(diào)管的模擬設計過程中出現(xiàn)腔間耦合引起的自激振蕩。在探索抑制腔間耦合引起高次模振蕩的過程中，文獻通過在速調(diào)管諧振腔內(nèi)噴涂吸波材料來減低振蕩模式的有載品質(zhì)因子從而實現(xiàn)高次模振蕩;文獻通過在主諧振腔外接吸收腔的方法來抑制高次模的振蕩。以上消

　　除高次模振蕩的方法均對輸出微波功率的影響較大。本文通過改變四腔強流相對論速調(diào)管結(jié)構(gòu)并添加適當?shù)奈�波材料，在高增益的情況下有效抑制由于腔間耦合產(chǎn)生的高次模振蕩。

　　1、相對論速調(diào)管放大器中腔間耦合現(xiàn)象

　　在對四腔強流相對論速調(diào)管進行整管模擬過程中(整管結(jié)構(gòu)圖如圖1所示)，出現(xiàn)了如圖2所示的脈沖縮短現(xiàn)象。圖2中在計算時間小于150ns時，輸出微波包絡平坦，但當計算時間超過150ns時，輸出微波功率下降并出現(xiàn)了波形抖動現(xiàn)象。觀察粒子的相空間(圖3)，沒有發(fā)現(xiàn)電子回流，且各諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇也保證了諧振腔不會產(chǎn)生單腔振蕩，因此可以排除電子回流或單腔振蕩。

　　觀察各諧振腔間隙電壓的頻譜圖(圖4)，發(fā)現(xiàn)兩個中間腔以及輸出腔均存在幅值基�？杀葦M的5.76GHz高次模。而且整管的軸向電場分布圖(圖5)中，第二、三段漂移管中存在明顯的TM01模電場的傳輸。漂移管半徑Rd1=2.4cm，其對圓波導中TM01模的截止頻率為4.78GHz;當速調(diào)管的漂移管半徑Rd2=2.2cm，其對圓波導中TM01模的截止頻率為5.20GHz，也就是說漂移管對5.76GHz的電磁波是不截止的，那么速調(diào)管中存在由于腔間耦合產(chǎn)生的高次模振蕩。

圖1　速調(diào)管整管結(jié)構(gòu)圖　圖2　輸出功率包絡圖　圖3　粒子的相空間圖

圖4　第一個中間諧振腔、第二個中間諧振腔和輸出腔的間隙電壓頻譜圖

　　結(jié)論

　　通過采用2.5維粒子模擬(PIC)軟件對注入微波功率為10kW、頻率為2.88GHz的強流相對論速調(diào)管(IRKA)進行模擬，并從整管上分析了各參數(shù)對高次模振蕩的影響。通過不斷的優(yōu)化調(diào)節(jié)，模擬得到了3.74GW 的輸出微波，效率達到22%，增益56dB，進一步加深了對強流相對論速調(diào)管束波互作用的認識。