毫米波行波管电子光学系统的设计.pdfVIP

! 第# 卷! 第$ 期 强 激 光 与 粒 子 束 %’( # ，)( $! $**+! ! $**+ 年$ 月 ,-., /0123 45623 5)7 /538-942 :25;6 7=( ， 文章编号：! **?@$$ （$**+ ）$$*@**A 毫米波行波管电子光学系统的设计! 殷海荣，! 宫玉彬，! 魏彦玉，! 黄民智，! 路志刚，! 王文祥 （电子科技大学物理电子学院，成都+**A? ） ! ! 摘! 要：! 利用基于虚边界元法的%:.B) 程序和基于边界元法的;0; 程序，对一折叠波导毫米波行波 管的电子光学系统进行了设计。设计过程中使用计算相关性系数的方法调节参数，通过计算敏感性系数以考 察加工误差带来的影响。设计过程显示：低导流系数、小束腰、高压缩比的毫米波电子枪的层流性与电极尺寸 相关性很大，易受到加工误差的影响；聚束系统的设计难点在于轴上峰值磁感应强度要受到漂移管半径的限 制，这一点可以通过提高工作电压和降低电流来平衡，因此它的设计必须与慢波结构的设计同时进行。 ! ! 关键词：! 行波管；! 电子枪；! 电子光学系统；! 周期永磁聚束系统；! 虚边界元方法 ! ! 中图分类号：! 8)$?! ! ! ! 文献标识码：! 5 ! ! 毫米波段行波管慢波结构十分微小，电子注通道大小很有限。由于一般慢波结构的平均耦合阻抗随着电 子注通道半径的增加而降低，这进一步限制了电子注通道的尺寸。在@* C ?* .,D 频段内，电子注通道半径一 般小于 EE，这要求电子注束腰不得大于*( A EE 。对于小束腰电子注，为了获得更大功率，同时兼顾行波管 的寿命，就应提高电子注压缩比和电流密度［@］。若要减轻行波管的整体质量，电子注电压又将受到限制，电子 枪的导流系数也会相对较高。因此毫米波电子枪电子注密度高，面积压缩比高，导流系数相对较高，电子注束 腰和整体外形尺寸小。这些特点给设计增加了难度。周期永磁聚束系统轴上的峰值磁场主要由磁周期和磁环 内径决定。相对较大的磁环内径以及短的磁周期限制了轴上峰值磁场，而高密度电子注的聚束则需要较高的 峰值磁场，这一对矛盾在毫米波电子光学聚束系统的设计中十分突出。毫米波电子枪整体尺寸小，阴阳极距离 近，磁场往往要渗透到阴极区域。这一点在进行电子枪设计时必须考虑到。在利用模拟软件进行设计的初期， 需要反复调整电极形状、磁材料和磁极形状以达到要求。本文利用自行设计的电子枪程序%:.B) 和磁场程 序;0; ，对一个主频@A .,D 折叠波导行波管的电子光学系统进行了设计。 ! 虚边界元法、#$%’ 程序和()( 程序 !* ! 虚边界元法和#$%’ 程序 ! ! 虚边界元法［?A ］能够避免无源区域的两类奇异积分，它在实边界（图 中 ）之外设虚边界（图 中 ），并将实边界视为形式边界，将虚边 ! !$ 界当成实边界并在虚实边界上剖分相同单元数。假定虚边界上分布有面 电荷，利用实边界上已知的电位和空间电荷电流密度算出虚边界上各个 单元的面电荷值，然后利用格林函数就可以很快算出整个空间的电位分 布。计算时，虚边界形状尽量与实边界保持一致，当实边界存在尖锐折角 FGH( ! 3I’ ，JGKLMI’ NMOPIKQ 时，对虚边界相应位置应进行圆滑处理。虚实边界的距离范围为 IOP PMEEQ NMOPIKQ 图! 实虚边界和形式边界 ! # $ % ! # $ ’ ( ’ % @ ! $ # ! （ ） 式中：( 为相应第 个虚实边界单元的最小距离；! 和!分别为实虚边界单元电位；$ 和$为实虚边界相应单 元的外法线方向。%:.