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帶漸變過渡型提取結(jié)構(gòu)的Ku波段磁絕緣線振蕩器*

江濤，賀軍濤，張建德，李志強(qiáng)，令鈞溥

(國(guó)防科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410073)

摘要：提出了一種漸變過渡型的微波同軸提取結(jié)構(gòu)，解決了采用傳統(tǒng)的均勻同軸提取結(jié)構(gòu)的Ku波段磁絕緣線振蕩器中存在的輸出模式不純和TEM模傳輸效率較低的問題。模擬結(jié)果表明，漸變過渡型提取結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了微波的高效提取和單一的同軸TEM模輸出；過渡后的同軸結(jié)構(gòu)利于支撐桿的設(shè)計(jì)，滿足了同軸TEM模的傳輸要求。與傳統(tǒng)的均勻同軸提取結(jié)構(gòu)相比，漸變過渡型提取結(jié)構(gòu)能夠適量提高器件的品質(zhì)因數(shù)，進(jìn)而加強(qiáng)束波作用，加快微波起振。

關(guān)鍵詞：Ku波段；磁絕緣線振蕩器；提取結(jié)構(gòu)；支撐桿；品質(zhì)因數(shù)

磁絕緣線振蕩器(Magnetically Insulated transmission Line Oscillator, MILO)因其無(wú)需外加磁場(chǎng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而成為一種非常有發(fā)展前景的高功率微波源[1-4]。目前，MILO在L、S、C等較低的微波頻段的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過1GW的穩(wěn)定微波輸出[5-7]，正朝著更高頻段如X、Ku波段發(fā)展[10-13]。由于Ku波段在通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，因此開展Ku波段MILO的研究具有重要的意義。

Ku波段頻率高，相應(yīng)的器件尺寸較小，為了提高功率容量，擬采用一種具有大橫向尺寸的過模慢波結(jié)構(gòu)。若仍采用傳統(tǒng)的均勻同軸提取結(jié)構(gòu)，則由于同軸提取結(jié)構(gòu)內(nèi)外導(dǎo)體間距較大，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱TM01模在同軸結(jié)構(gòu)中不截止，會(huì)帶來兩方面的問題：微波輸出模式不純；TEM模傳輸效率太低。因此，提出一種漸變過渡型同軸提取結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了微波的高效提取和單一的同軸TEM模輸出；另外，這種漸變過渡型同軸提取結(jié)構(gòu)還有利于提高束波作用效率和加快微波起振。

1采用均勻同軸提取結(jié)構(gòu)的Ku-MILO

最初設(shè)計(jì)的采用傳統(tǒng)的均勻同軸提取結(jié)構(gòu)的Ku波段MILO的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作頻率為12.5GHz，為了提高功率容量，主慢波結(jié)構(gòu)采用過模結(jié)構(gòu)，陰極半徑Rc=24mm，陽(yáng)極外半徑Ra=40mm。

圖1　采用傳統(tǒng)提取結(jié)構(gòu)的Ku-MILO結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Configuration of the Ku-MILO with traditional extractor

通常，負(fù)載陽(yáng)極半徑Rd與陰極半徑Rc相同或比Rc略大，在微波同軸輸出區(qū)直接加兩排支撐桿，支撐桿和同軸傳輸線組成傳統(tǒng)的均勻同軸提取結(jié)構(gòu)。目前，從文獻(xiàn)中看到的Ku波段MILO均采用這種均勻同軸提取結(jié)構(gòu)[11,13]。然而，在采用過模慢波結(jié)構(gòu)的Ku波段MILO中，由于微波同軸提取結(jié)構(gòu)內(nèi)外導(dǎo)體間距較大，TM01模不截止，會(huì)帶來如下兩方面的問題。

一方面，對(duì)圖1所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維粒子模擬(不加支撐桿情況)，采用文獻(xiàn)[8]提出的模式成分分析方法對(duì)輸出微波模式成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)微波耦合到提取結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生TEM模和TM01模，TEM模只占90%的功率成分，而TM01模占有約10%的功率成分。同軸TM01模的存在以及輸出模式不純將會(huì)給微波提取結(jié)構(gòu)中支撐桿的設(shè)計(jì)以及后續(xù)的模式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來困難。另一方面，在支撐桿設(shè)計(jì)時(shí)，由于同軸結(jié)構(gòu)中TM01模不截止，支撐桿的引入很容易激勵(lì)起相當(dāng)大部分的TM01模，而使得TEM模的傳輸效率太低，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

因此，需要對(duì)這種均勻同軸提取結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在保證主慢波結(jié)構(gòu)不變的前提下使得新設(shè)計(jì)的提取結(jié)構(gòu)能夠解決上述問題。

2提取結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析，微波同軸提取結(jié)構(gòu)中TM01模不截止是使得微波輸出模式不純和TEM模傳輸效率較低的根本原因，因此，重新設(shè)計(jì)微波提取結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于截止TM01模。為了使TM01模截止，需要減小同軸提取結(jié)構(gòu)內(nèi)外導(dǎo)體間距，而具體減小值則需通過對(duì)同軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行模式分析來確定。

2.1　同軸結(jié)構(gòu)模式分析

同軸波導(dǎo)中TM波的特征方程為[9]：

(1)

式中，R, r分別為同軸波導(dǎo)的外導(dǎo)體內(nèi)半徑和內(nèi)導(dǎo)體外半徑，Jn是貝塞爾函數(shù)，Nn是諾埃曼函數(shù)，kc是截止波數(shù)。求解這個(gè)特征方程可以得到kc的一系列根。n階方程的第i個(gè)根就是同軸波導(dǎo)中TMni模的臨界波數(shù)kcEni，由此便可以求出TMni模的臨界波長(zhǎng)[9]：

(2)

Ku波段MILO的工作頻率為12.5GHz，波長(zhǎng)λ0≈24mm，當(dāng)λcEni>λ0時(shí)，該模式將在同軸波導(dǎo)中截止。通過對(duì)式(1)、式(2)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，保持外導(dǎo)體半徑Ra不變，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體半徑Rd增大到30mm時(shí)，TM01模截止。

2.2　漸變過渡型同軸提取結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)同軸結(jié)構(gòu)模式分析結(jié)果，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體半徑Rd從24mm增大到30mm時(shí)，TM01模在同軸結(jié)構(gòu)中截止，然而簡(jiǎn)單的增大同軸提取結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體半徑，而仍然采用均勻同軸提取結(jié)構(gòu)，其內(nèi)導(dǎo)體比陰極高出的一個(gè)臺(tái)階會(huì)產(chǎn)生較大的微波的反射，使得微波輸出效率很低。因此，需設(shè)計(jì)一種漸變過渡的內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，減小對(duì)微波的反射。

另外，平面二極管型負(fù)載(圖1結(jié)構(gòu)采用的負(fù)載結(jié)構(gòu))陰陽(yáng)極間距d很小，極易導(dǎo)致負(fù)載陰陽(yáng)極燒蝕[10-11]，為了保證良好的磁絕緣性，故采用限制型負(fù)載，通過增大陰陽(yáng)極間距和電子收集極表面積來降低能量沉積密度，避免負(fù)載陰陽(yáng)極燒蝕[12]。

結(jié)合以上分析，在限制型負(fù)載結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了改進(jìn)的漸變過渡型微波同軸提取結(jié)構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)如圖2所示，把限制型負(fù)載的陽(yáng)極收集筒設(shè)計(jì)成錐形結(jié)構(gòu)，其半徑Rd漸變地從24mm過渡到30mm。這個(gè)陽(yáng)極收集筒也是微波提取結(jié)構(gòu)的內(nèi)導(dǎo)體，與同軸外導(dǎo)體構(gòu)成了改進(jìn)的漸變過渡型微波同軸提取結(jié)構(gòu)。其中，為了確保負(fù)載陰極電流發(fā)射的均勻性，收集筒內(nèi)半徑取均勻值21mm；伸入負(fù)載收集筒的小陰極半徑Rc1取10mm，收集筒與小陰極的徑向距離為11mm。當(dāng)收集筒端與小陰極端間距d取足夠大時(shí)能避免負(fù)載陰陽(yáng)極燒蝕。

圖2　改進(jìn)的Ku-MILO結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Configuration of the improved Ku-MILO

結(jié)合改進(jìn)的漸變過渡型提取結(jié)構(gòu)，對(duì)MILO整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行粒子模擬優(yōu)化，當(dāng)漸變過渡段長(zhǎng)度l取45mm時(shí)，獲得了最大微波功率輸出，如圖3所示。

圖3　輸出功率隨過渡段長(zhǎng)度的變化Fig.3　The output power versus the lengthof the transition section

圖4　兩種結(jié)構(gòu)的S21曲線Fig.4　The S21curves of two different structures

對(duì)漸變過渡型提取結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐桿設(shè)計(jì)，通過高頻電磁場(chǎng)軟件進(jìn)行模擬優(yōu)化。圖4所示的為兩種提取結(jié)構(gòu)中支撐桿結(jié)構(gòu)的TEM模傳輸系數(shù)曲線。在傳統(tǒng)的均勻同軸提取結(jié)構(gòu)中，支撐桿的引入會(huì)在同軸波導(dǎo)中激勵(lì)起大部分TM01模，而使得TEM模的傳輸效率只有70%左右，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求；在漸變過渡型同軸提取結(jié)構(gòu)中，由于過渡后的同軸結(jié)構(gòu)對(duì)TM01模截止，實(shí)現(xiàn)了TEM模99.3%的傳輸效率，滿足設(shè)計(jì)要求。

3粒子模擬

對(duì)帶漸變過渡型同軸提取結(jié)構(gòu)的Ku波段MILO進(jìn)行粒子模擬，結(jié)果如圖5和圖6所示。在輸入電壓470kV的條件下，得到微波輸出平均功率約2.86GW，頻率約12.46GHz，效率達(dá)到12.7%。對(duì)輸出微波進(jìn)行模式成分分析，輸出微波為純TEM模。器件實(shí)現(xiàn)了高效率單模輸出。

圖5　輸出功率隨時(shí)間變化Fig.5　The output power versus time

圖6　輸出微波功率譜Fig.6　The power spectrum of output microwave

對(duì)圖1和圖2所示的兩種MILO結(jié)構(gòu)的微波輸出功率進(jìn)行比較，確保輸入電壓一致(470kV)，結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，采用漸變過渡型同軸提取結(jié)構(gòu)的MILO的微波輸出功率比采用傳統(tǒng)均勻同軸提取結(jié)構(gòu)的MILO的微波輸出功率要高0.3GW，且起振和飽和要快約1ns。分析其可能原因?yàn)槲⒉▊鬏數(shù)教崛〗Y(jié)構(gòu)的漸變過渡段產(chǎn)生適量反射，有利于提高慢波諧振腔的品質(zhì)因數(shù)，而通常情況下，品質(zhì)因數(shù)越大，越有利于加強(qiáng)電子束的振蕩調(diào)制，增強(qiáng)束波作用效率，使MILO快速起振和飽和[6]。

圖7　兩種結(jié)構(gòu)的輸出功率Fig.7　The output power of the two structures

對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的提取品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果如圖8所示。采用漸變型提取結(jié)構(gòu)的MILO的品質(zhì)因數(shù)為106，采用傳統(tǒng)提取結(jié)構(gòu)的MILO的品質(zhì)因數(shù)為68，證實(shí)了上述分析的正確性。

圖8　兩種結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)Fig.8　The quality factor of the two structures

4結(jié)論

針對(duì)采用過模慢波結(jié)構(gòu)的Ku波段MILO，指出了其采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的微波提取結(jié)構(gòu)存在輸出微波模式不純和TEM模傳輸效率較低的問題,并對(duì)此提出了一種改進(jìn)的漸變過渡型的微波同軸提取結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果表明，過渡后的同軸結(jié)構(gòu)利于支撐桿的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同軸TEM模的高效傳輸。對(duì)漸變過渡型同軸提取結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了微波的高效提取和單一的同軸TEM模輸出。粒子模擬結(jié)果表明，在輸入電壓470kV的條件下，得到微波輸出平均功率約2.86GW，頻率約12.46GHz，效率達(dá)到12.7%。通過與采用傳統(tǒng)提取結(jié)構(gòu)的MILO的粒子模擬結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，漸變型同軸提取結(jié)構(gòu)能適量提高品質(zhì)因數(shù)，從而有利于提高微波輸出功率和加快微波起振。

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Ku-band magnetically insulated transmission line oscillator with a gradual transitional extractor

JIANGTao,HEJuntao,ZHANGJiande,LIZhiqiang,LINGJunpu

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

Abstract：To solve the problems of impure output modes and inefficient TEM transmission in the Ku-band MILO with the conventional uniform coaxial extractor, a gradual transitional coaxial extractor was proposed. The simulation results show that: the gradual transitional coaxial extractor achieves efficient microwave extraction and a single output TEM; the transitional coaxial structure is conductive to the design of supports and meets TEM transmission requirements. Compared with the traditional extractor, the gradual transitional coaxial extractor can strengthen the beam-wave interaction and accelerate the microwave start-up through enhancing the quality factor of the Ku-band MILO in right amount.

Key words：Ku-band; magnetically insulated transmission line oscillator; extraction structure; supports; quality factor

中圖分類號(hào)：TN127

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-2486(2015)02-024-04

收稿日期：2015-01-05基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11305263)

作者簡(jiǎn)介：江濤(1987—)，男，重慶長(zhǎng)壽人，博士研究生，E-mail：308104060@qq.com；張建德(通信作者)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：jdzhang12@yahoo.com

doi:10.11887/j.cn.201502006

http://journal.nudt.edu.cn