太赫茲準光回旋行波管注波互作用提升研究

王 舜，李星瑤，劉欣璐，陳 潔，吳禮銀

（中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室，成都 610213）

在各類回旋電子脈塞器件中，為了得到更寬的工作帶寬并保持較高的輸出功率，回旋行波管的注波互作用結構一般選擇為光滑波導[1-3]?；匦胁ü芤云浯蠊β?、寬帶寬的特性，在高精度雷達和毫米波通信方面有著廣闊的應用前景[4-5]，受到了人們的廣泛關注和高度重視。

在回旋行波管發(fā)展的最初階段，注波互作用的高頻結構一般采用光滑的直波導，其優(yōu)點是具有較寬的工作帶寬，缺點是容易產生寄生振蕩，導致工作電流比較小，限制了輸出功率[6-7]。經過各國研究學者的不斷摸索，發(fā)現引入衰減后的高頻結構能有效抑制寄生振蕩，確保回旋行波管的穩(wěn)定工作，維持回旋行波管一定的輸出功率。美國海軍研究實驗室在20 世紀80 年代初通過在圓波導中加載衰減介質，發(fā)現能夠有效提高寄生模式的起振電流，抑制回旋行波管的振蕩。20 世紀90 年代，中國臺灣中央大學朱國瑞教授團隊針對Ka波段加載分布式壁損耗介質的回旋行波管開展了理論和實驗研究，取得了良好的效果。

但當頻率到達W 波段及以上頻段時，由于尺寸的進一步減小，衰減介質的工藝難度進一步提升，加之其對溫度敏感、易碎的特點，因此加載衰減介質的方法達到了瓶頸。但通過在回旋行波管高頻結構中引入衰減抑制寄生振蕩這一核心思想得到了發(fā)展[8]。麻省理工學院基于開放波導的思路，在140 GHz 的回旋行波管研制中，采用共焦波導作為高頻結構，利用共焦波導的衍射損耗抑制寄生振蕩，成功研制出峰值功率30 kW 的準光回旋行波管[9-10]。

針對大功率、寬帶寬太赫茲源的目標，基于電子回旋脈塞原理，本文選擇準光波導作為高頻結構，在大氣窗口的中心頻點之一0.34 THz，利用數值仿真方法，設計了針對準光波導場分布的電子槍，開展太赫茲準光回旋行波管注波互作用提升研究。

1 理論分析

回旋行波管的原理是基于對流不穩(wěn)定性實現電磁波的放大，回旋行波管工作在高頻結構與電子注色散曲線相切點的附近，電子的色散關系為

波導的色散曲線為

式（1）、（2）中：ω 為電磁波或電子的角頻率，Ω 為電子在不考慮相對論效應時的回旋角頻率，υz為電子的縱向速度，kz和kt分別為波導的縱向和橫向波數，s為諧波次數，c為真空中的光速，γ 是與電子速度有關的相對論因子。準光波導的工作模式選擇為TE06，考慮TE15、TE05、TE14 和TE04 為主要競爭模式，在340 GHz附近，準光波導的色散關系如圖1 所示。

圖1 準光波導的色散曲線

準光波導利用其開敞結構破壞部分模式的場分布，而對于不同的模式場分布不同，因此不同模式的衍射損耗是不同的，具有模式選擇特性。準光波導中TE06 模式的場分布如圖2 和圖3 所示，在其開敞處由于衍射導致場分布很弱，準光波導的場分布在橫向（x方向）呈高斯分布，而在縱向（y方向）呈駐波分布。對于傳統(tǒng)的環(huán)形電子槍，如圖2 所示，在敞開處由于場很弱，因此這部分區(qū)域的電子參與互作用程度很弱，其互作用效率必然較低。針對準光波導場分布的特點，設計了非軸對稱的扇形電子槍，如圖3 所示。扇形的電子注在角向不是連續(xù)分布的，為了提升互作用效率，電子僅處于場比較強的位置。

圖2 傳統(tǒng)的環(huán)形電子注

圖3 扇形電子注

2 數值仿真

利用三維PIC（Particle in Cell）數值仿真軟件，建立太赫茲準光回旋行波管注波互作用PIC 仿真模型，在抑制寄生模式的同時使工作模式得到放大，得到最優(yōu)的太赫茲準光回旋行波管注波互作用設計參數，基于太赫茲準光回旋行波管注波互作用數值仿真模型，探究準光波導情況下太赫茲回旋行波管的注波互作用規(guī)律，獲得太赫茲準光回旋行波管注波互作用的最優(yōu)參數，在確保工作模式的輸出功率最大的同時抑制寄生模式。

通過調節(jié)各參數，將輸入耦合器將圓波導中的TE11模式經過鏡面兩次反射后進入準光波導，并在準光波導中激勵起TE06 模式。在輸入耦合器設計的基礎上引入高壓電子注，電子注與輸入耦合器中的電磁場相互作用，將高頻結構中的電磁波放大并輸出。為了實現太赫茲電磁波的放大，一般需要互作用高頻區(qū)域達到一定的長度，但長度過長會引起寄生模式的返波振蕩。為了抑制太赫茲回旋行波管的返波振蕩，這里將高頻互作用區(qū)域通過引入衰減段分為3 部分，如圖4 所示，圖4 中電子槍為傳統(tǒng)的環(huán)形電子槍。為了印證改變電子槍或電子注形狀以提升準光回旋行波管注波互作用效率的猜想，在仿真軟件中特地設計了發(fā)射扇形電子注的電子槍結構，如圖5所示。

圖4 三段式準光波導互作用結構圖

圖5 扇形電子槍結構圖

3 仿真結果

假定輸入的太赫茲波為0.25 W，經過互作用區(qū)域的相互作用后放大工作模式的電磁波能量，環(huán)形電子注的輸出功率如圖6 所示，輸出功率在1 ns 左右達到峰值，在輸出端的功率放大至2 kW。扇形電子注的輸出功率如圖7 所示，從圖7 中可以看出，由于互作用效率的提升，輸出功率提前在0.5 ns 左右達到峰值，且在相同的工作參數下，最終的輸出功率達到了6 kW 左右。整個互作用區(qū)域的電磁分布截面圖如圖8 所示，為了清晰地看到內部電磁場的狀態(tài)，這里只截取了輸入耦合器和三段式放大區(qū)中前兩段的截面圖，從圖8 中可以明顯看出電磁波的傳輸、轉換、放大的過程。

圖6 環(huán)形電子注太赫茲準光回旋行波管輸出功率

圖7 扇形電子注太赫茲準光回旋行波管輸出功率

圖8 太赫茲準光回旋行波管場分布截面圖

最終的0.34 THz 準光回旋行波管工作參數見表1，準光波導的鏡半徑為2.85 mm，鏡寬為1.1 mm，準光波導工作模式選取為TE06 模式，工作電壓為70 kV，電子注電流為3 A，外部穩(wěn)恒磁場為12.25 T，電子注引導中心半徑為0.75 mm，橫縱速度比選擇為1.2，在輸入功率為25 W 的情況下，獲得了大于5 kW 的輸出功率。

表1 0.34 THz 太赫茲回旋行波管工作參數

4 結論

根據準光波導電磁場分布的特點和回旋行波管注波互作用的理論基礎，本文對0.34 THz 準光回旋行波管開展了注波互作用的數值仿真研究。針對準光波導場分布的特點，采用特殊的扇形電子注，與普通的磁控注入電子槍相比，僅產生發(fā)射帶的變化，對電子槍的制造工藝影響很小。相較于傳統(tǒng)的環(huán)形電子注，準光回旋行波管采用扇形電子注可以使互作用效率提高1 倍左右，扇形電子注在太赫茲準光回旋行波管中具有優(yōu)勢。