W波段平面線形排列多注分布作用管諧振腔的研究

　　通過三維仿真軟件CST-MSW 建立了平面線形排列的多注分布作用速調(diào)管五間隙諧振腔的物理模型，獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)對腔體的場形、特性阻抗等相關(guān)冷參數(shù)的影響。在工作模式頻率相同的情況下，對平面線形排列的多注分布作用速調(diào)管五間隙腔體和帶狀注速調(diào)管傳統(tǒng)的啞鈴型五間隙腔體參數(shù)進(jìn)行了對比分析。研究表明，平面線形排列的多注分布作用速調(diào)管諧振腔具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、有效互作用阻抗高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)在一定頻帶范圍內(nèi)這種平面線形排列的多注分布作用速調(diào)管諧振腔具有較少的非工作模式，這對實(shí)際工程制管具有重要指導(dǎo)意義。

　　平面線形排列的多注分布作用速調(diào)管是在傳統(tǒng)帶狀注速調(diào)管(SBK) 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是一種新型的微波器件，它繼承了帶狀電子注的優(yōu)點(diǎn)，在一維方向上擴(kuò)展為較大的尺寸，另一個(gè)維度上滿足頻率與幾何尺寸共度性效應(yīng)，同時(shí)有效降低了陰極的電流發(fā)射密度和空間電荷力，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢 ，同時(shí)可以避免帶狀電子注在傳輸過程中容易造成的扭結(jié)和不穩(wěn)定性等問題，有望在高頻段乃至太赫茲頻段獲得高功率微波輸出,因而在軍用空間武器和空間微波系統(tǒng)中具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和巨大的發(fā)展前景。

　　早在1999 年，俄羅斯的M. Yu Vorobyev 和I. A.Freydovich在電子學(xué)和超高頻射電物理學(xué)會(huì)議上報(bào)告了平面排列電子注的多注速調(diào)管設(shè)計(jì)方案，但是當(dāng)時(shí)受到計(jì)算機(jī)發(fā)展水平和三維模擬軟件的限制，電子槍的設(shè)計(jì)存在缺陷，實(shí)驗(yàn)并沒有得到預(yù)期的效果。后來，俄羅斯的A. V. Galdetskiy提出了一種新型的采用類似帶狀電子注電子槍的平面線形排列多注速調(diào)管的設(shè)計(jì)方案，為此類新型器件的研制奠定了基礎(chǔ)。

　　本文具體介紹了這種平面線形排列W 波段五間隙多注速調(diào)管分布作用諧振腔的模擬設(shè)計(jì)，分析其沿x、y以及電子注運(yùn)動(dòng)方向各尺寸變化時(shí)，諧振腔各參數(shù)的變化情況，并與傳統(tǒng)五間隙帶狀注分布作用諧振腔進(jìn)行了對比研究。

1、諧振腔及其物理設(shè)計(jì)

　　平面線形排列多注分布作用速調(diào)管繼承了帶狀注速調(diào)管的優(yōu)點(diǎn)，為使橫向電場均勻，電子注能與電場進(jìn)行高效的注波互作用，其高頻諧振系統(tǒng)依然采用啞鈴型諧振腔，諧振腔中間部分為一段波導(dǎo)，波導(dǎo)末端為兩個(gè)大小相同的耦合腔，其尺寸與中間波導(dǎo)不同。如圖1 所示，給出了該型速調(diào)管諧振腔的結(jié)構(gòu)圖及XY 和XZ 視圖。這種平面線形排列的多注分布作用速調(diào)管，其多個(gè)電子注在漂移管內(nèi)有各自的通道，因此無相鄰電子注電場力的作用。與帶狀注相比，采用這種新型結(jié)構(gòu)有效避免了電子注在磁場作用下的扭結(jié)問題，同時(shí)，由于每個(gè)電子注通道內(nèi)的電流較小，使得在獲得高的諧振頻率的同時(shí)又不會(huì)激起自激振蕩。

圖1 平面多注與帶狀注五間隙諧振腔結(jié)構(gòu)圖

　　對于多間隙腔體，其單個(gè)間隙上的電場要比單間隙腔降低了很多，不容易出現(xiàn)電壓擊穿，考慮到這一點(diǎn)，在此選用了典型的五間隙諧振腔為例來研究多間隙腔體的一些特性。圖1(a) 左側(cè)即為用CSTMSW仿真軟件建立的平面線形排列多注分布作用速調(diào)管五間隙諧振腔的物理模型。w 、h、z 分別為中間波導(dǎo)沿x 、y、z 方向的尺寸，w2、h2、z 2 分別為耦合腔沿x 、y、z 方向的尺寸，h3 為電子注直徑，d1 為電子注之間的間距，d 為多間隙的間距。其中，d2=4.9 mm，d1= 1.4 mm，d = 1.55 mm，z3= 10 mm，z 2=7.2 mm，這些尺寸在諧振腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整時(shí)是不變的�；�模諧振頻率為94.43 GHz，Q0= 1600.71，R/ Q= 110.46 8，此處R/Q 為八個(gè)電子注通道的平均阻抗。在工作頻率相同的情況下，相應(yīng)五間隙帶狀注諧振腔的Q0= 1770.73，R / Q= 124.07 8 。速調(diào)管的諧振腔一般采用工作在TM110模式的啞鈴型諧振腔。

　　圖2 即為平面線形排列多注分布作用速調(diào)管與帶狀注速調(diào)管電場Ez 沿中心線及z方向的電場分布。

圖2 平面多注與帶狀注電場Ez 沿不同方向的場強(qiáng)分布

結(jié)論

　　本文主要在三維仿真軟件CST-MWS 平臺(tái)上，對這種基于帶狀注的平面線形排列多注分布作用速調(diào)管諧振腔進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模擬。分析了五間隙腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)對特性阻抗以及場形的影響，找出了影響腔體場形及特性阻抗的敏感參數(shù)。同時(shí)分析了諧振腔內(nèi)的模式競爭，并與帶狀注相應(yīng)間隙諧振腔就一些參數(shù)變化進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)的速調(diào)管不僅避免了電子注在磁場作用下的扭結(jié)問題，而且無論場形、阻抗以及其頻率對參數(shù)的敏感程度都要比帶狀注諧振腔低很多。本文研究結(jié)果對于提高W 波段速調(diào)管的注波互作用效率具有重要的參考價(jià)值。