回旋速调放大器输入谐振腔分析及数值模拟X.pdfVIP

　第 16 卷 　第 3 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 16 ,No. 3 　 　2004 年 3 月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Mar. ,2004 　 ( ) 文章编号 : 2004 回旋速调放大器输入谐振腔分析及数值模拟 罗 　勇 , 　李宏福 , 　赵 　青 , 　邓 　学 , 　徐 　勇 , 　王 　晖 ( 电子科技大学 高能电子学研究所, 四川 成都 610054) 　　摘 　要 : 　输入谐振腔将波导输入的高频信号转化为内腔中工作模式的驻波场 , 以实现对回旋电子注角向 速度的调制。对输入谐振腔的同轴谐振腔和两端开孔的圆柱谐振腔分别进行了解析分析 ,数值计算中引入修 正来反应耦合狭缝的影响 ,几 min 就能完成一种结构尺寸的计算分析。通过优化得到输入谐振腔的初步结构 和尺寸 ,然后利用三维高频分析软件 HFSS 进行精确的模拟和修正 ,提高模式转化效率和纯度 ,获得了高性能的 输入谐振腔。 　　关键词 : 　输入谐振腔 ; 　同轴谐振腔 ; 　耦合狭缝 ; 　回旋速调放大器 ; 　高功率毫米波 　　中图分类号 : 　TN129 　　　　文献标识码 : 　A 　　回旋速调放大器利用输入信号对回旋电子注进行速度调制 , 由于相对论质量效应,使得回旋电子注逐渐形 成角向群聚 ,在注波互作用中交出能量 ,产生高功率毫米波输出。由于回旋速调放大器在 mm 及亚 mm 波段具 有高峰值功率、高平均功率、高增益和一定的带宽[1～5 ] ,在毫米波通讯、受控热核聚变等离子体加热、材料处理 等领域有重要的应用前景[6 ,7 ] 。回旋速调管放大器由电子枪、输入谐振腔、群聚腔、输出谐振腔或输出行波段、 收集级和输出窗等组成。输出谐振腔或输出行波段中电子注角向群聚状态直接决定着回旋速调放大器的互作 用效率及输出功率 ;输入谐振腔是完成输入信号模式变换并对回旋电子注进行速度调制的高频系统 ,与电子注 的群聚状态密切相关 ,其结构比较复杂。对于工作模式为 H01 的回旋速调放大器 ,输入谐振腔外部为输入波导 和同轴谐振腔 , 内部为两端开孔的圆柱谐振腔, 内外腔体之间有4 条均匀分布的耦合狭缝。国外多采用 HFSS 软件进行分析和计算[8～10 ] ,但即使采用速度较快的 PC 机运算一种结构尺寸 ,也需要几 h 以上,后续的数据分 析和处理则需要更长的时间 ,因此对需要进行大量结构尺寸分析计算的初步设计和调试来说 ,这种方法是极不 方便的。文献[11 ]应用偶极子近似和 HFSS 结合进行分析 ,本文的数值计算中引入修正来反应耦合狭缝的影 响 ,在完成腔体的初步设计后 ,用 HFSS 软件加以精确模拟 ,对近似分析计算进行了修正。 1 　理论分析 　　工作模式为 H01 的回旋速调放大器输入谐振 腔结构如图 1 所示 ,输入的高频信号为矩形波导 ( ) H 模式 , 在外腔 同轴谐振腔 中激励起 H 模 10 411 式 ,H 经 4 条耦合狭缝在内圆柱腔中建立起工 411 作模式 H011 。由电子枪形成的回旋电子注穿过对 工作模式截止的注入段而进入输入腔 , 回旋速度 受到内圆柱谐振腔工作模式 H011 的调制 ,在随后 的漂移段中逐渐形成角向群聚。 Fig. 1 　Schematic of input cavity 1. 1 　内圆柱谐振腔分析 图 1 　输入谐振腔示意图 　　内部圆柱谐振腔为两端开孔的突变结构谐振腔 ,为了消除回旋速调放大器在大增益时因各谐振腔耦合而 自激,谐振腔之间的