L波段双频磁绝缘线振荡器的设计与粒子模拟

　　能够产生稳定输出的双频高功率微波(HPM)器件是一个新兴的研究方向,将具有重要的学术价值和潜在的实际应用价值[1-4]。而由于模式竞争(同时产生了主模和高次非对称模式)出现的双频微波,其输出微波是不稳定的,器件处于“病态”工作,因此功率效率很低。那么能否按照器件的正常工作状态要求,设计出能够产生稳定输出的双频HPM器件呢?同时,磁绝缘线振荡器(MILO)[5-12]是GW水平的正交场器件,不需要外加磁场,其直流磁场是由管子内部电流提供,器件比较紧凑,质量轻,并允许较高的外加电压和较高的输入功率,该器件在实用化方面具有较广阔的前景。

　　因此,在阶梯阴极型磁绝缘线振荡器[7-9]的基础上,本文提出了利用角向分区来产生双频HPM的思想,建立了基于谐振腔深度的角向分区的L波段双频磁绝缘线振荡器(bifrequency magnetically insulated transmis-sion line oscillator, BFMILO)的模型,并利用3维电磁模拟软件进行了粒子模拟,优化设计出了BFMILO。

　　1　基本原理与物理设计

　　根据MILO的物理机制,其互作用主要在轴向进行,与角向没有关系,因此可在常规MILO内部设置角向分区,即将整个高频结构沿着角向平均分成两半(区),每一半对应一个本征频率;同时,通过谐振腔深度的角向分区来实现双频是最佳的方案。因此建立了基于阶梯阴极型MILO的BFMILO(如图1所示)。

　　器件采用6个叶片,第1,2片为扼流片,其作用是防止微波反射,达到提高微波输出功率和增大束波转换效率的作用,第3至第5片为互作用叶片,其作用主要是实现束波能量的转换,最后一片为提取叶片,其作用主要是提取微波能量,实现微波输出。根据色散特性,MILO的正常稳定工作的模式为其最低阶模式TM00模的近π模。因此,为了得到正常稳定的双频HPM,双频MILO的工作模式仍需要设计为最低阶模式。同时根据MILO的高频特性,影响输出微波频率的因素主要有叶片的高度,腔长度,腔深度等,因此需要通过调节高频结构的尺寸,来实现双频的微波同轴输出。

　　BFMILO产生HPM的物理机制是:在输入端加上适当的输入电压(一般为几百kV),电子以爆炸发射的方式从阴极侧面发射。其中阴极右端发射出来的电子作为磁绝缘电流,产生一个环绕阴极杆的角向磁场。阴极在慢波结构区域发射的电子在阴阳极间的径向电场E和角向磁场B的共同作用下沿轴向右作E×B漂移,漂移过程中,电子束流与场相互作用。当这部分电子的漂移速度与阳极慢波结构微波场的相速度相当时,电子束与微波场同步谐振,形成了强烈的轮辐,在适当的结构参数条件下将产生HPM。两个分区的束-波互作用分区分别进行,产生具有两个频率的HPM输出。