8mm三次諧波潘尼管的理論設(shè)計(jì)與粒子模擬研究

　　潘尼管是利用電子在高頻結(jié)構(gòu)中的位置選擇機(jī)制實(shí)現(xiàn)注波凈能量交換的回旋器件,具有高效率與低磁場(chǎng)的顯著特點(diǎn)。本文在簡(jiǎn)述其基本原理的基礎(chǔ)上,研究了其設(shè)計(jì)理論與方法,進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算,設(shè)計(jì)了一只8 mm波段三次回旋諧波潘尼管:采用4開槽漸變到圓波導(dǎo)的開放式諧振腔高頻結(jié)構(gòu),2π工作模式,束電壓43.5 kV,束電流1.45 A,最后采用3D-PIC模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)證、優(yōu)化。模擬結(jié)果顯示,該器件可獲得37.8 kW平均輸出功率,器件效率可達(dá)到60%,展示了其作為高效永磁包裝器件的良好應(yīng)用前景。

　　近年來, 毫米波與亞毫米波在雷達(dá)、通信、電子戰(zhàn)、波束武器與新能源研發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用, 迫切需要一類新型的毫米波、亞毫米波源[ 1] : 一方面, 要求它的功率比常規(guī)的返波管、分布互作用腔速調(diào)管(EIO, EIA) 等大得多; 另一方面, 又要求其體積、重量、電壓, 尤其是所需的磁場(chǎng)和工作準(zhǔn)備時(shí)間比普通的回旋管小, 以便適應(yīng)多種實(shí)際應(yīng)用的要求。具有永磁包裝前景的高次回旋諧波器件因滿足這一要求而受到廣泛的關(guān)注, 其中潘尼管是最重要的候選者之一[ 2- 3] 。

　　潘尼管的概念最早是在1962 年由日本的S. Ono,K. Yamanouchi 等[ 4- 7] 提出, 經(jīng)過多年研究, 先后經(jīng)歷了雙對(duì)脊波導(dǎo)高頻結(jié)構(gòu), 無脊弓的方、圓波導(dǎo)諧振腔高頻結(jié)構(gòu), 類磁控管的高頻結(jié)構(gòu)( 包括槽形結(jié)構(gòu)和旭日結(jié)構(gòu)) 。特別是類磁控管型高頻結(jié)構(gòu)的引入,不僅使潘尼管具有較好的模式隔離度、較大的工作帶寬, 而且縮小了電子繞軸運(yùn)動(dòng)的回旋半徑, 可以在較低的束電壓下工作, 還提高了注波互作用強(qiáng)度, 大大促進(jìn)了潘尼管的發(fā)展。1999 年Tohoku 大學(xué)研制出的磁控管型潘尼管, 采用縱向突變的能量耦合結(jié)構(gòu), 工作在2􀀁模式, 其中3 次諧波潘尼管的器件效率達(dá)39%, 10 次諧波的電子效率也高達(dá)6% , 顯示了潘尼管十分誘人的應(yīng)用前景。美國的UCD 實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)持續(xù)多年的潘尼管研究計(jì)劃, 目標(biāo)是在8 mm波段獲得25~ 100 kW 的輸出功率[ 9- 15] 。國內(nèi)也早有學(xué)者對(duì)潘尼管進(jìn)行過理論研究與綜合評(píng)述, 但迄今為止尚未見到詳細(xì)、系統(tǒng)的研究工作報(bào)道[ 16- 17] 。

　　在國家自然科學(xué)基金的資助下, 本文開展了潘尼管的理論與粒子模擬研究, 首先簡(jiǎn)述了潘尼管的基本原理的; 然后研究了其設(shè)計(jì)理論與方法, 并具體設(shè)計(jì)了一支工作于8mm 波段三次諧波回旋潘尼管,特別是采用4 開槽漸變到圓波導(dǎo)的開放式諧振腔,與文獻(xiàn)[ 8] 相比, 大大地提高了器件效率; 最后利用D􀀁PIC 模擬軟件對(duì)理論設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證與優(yōu)化,在2􀀁工作模式, 束電壓43􀀂5 kV, 束電流1􀀂45A 的情況下, 其平均輸出功率不小于37􀀂8 kW, 為進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究打下了良好基礎(chǔ)。

4、 結(jié)論

　　本文簡(jiǎn)述了潘尼管的基本原理, 研究了其設(shè)計(jì)中開槽波導(dǎo)色散特性、開放式諧振腔設(shè)計(jì)、模式競(jìng)爭(zhēng)等關(guān)鍵問題, 編制了相應(yīng)的計(jì)算程序, 并設(shè)計(jì)了一只8mm 波段三次諧波潘尼管。繼而用3D􀀁PIC 模擬軟件進(jìn)行了驗(yàn)證與優(yōu)化, 給出了其內(nèi)部粒子分布與能量變化過程的描述。模擬還給出了器件的主要性能: 所得工作模式與頻率與理論設(shè)計(jì)一致, 器件效率達(dá)60% , 輸出功率達(dá)37􀀂8 kW, 而工作磁場(chǎng)僅0􀀂396T, 顯示了這種器件發(fā)展為高效永磁包裝毫米波器件的巨大潛力。下一步我們將在此基礎(chǔ)上開展實(shí)驗(yàn)研究。