轴向输出线极化TE11同轴波导模式相对论磁控管的粒子模拟研究
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收稿日期：２０１７ ０８ ０８；修回日期：２０１８ ０３ ０５ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （５１３７７１６４） 作者简介：史迪夫（１９８７－ ），男，重庆北碚人，博士，主要从事高功率微波技术研究。 犈犿犪犻犾：ｓｈｉｄｉｆｕ１１９＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ
０２０５０１１
实验中都很难产生１ 或 ３ 个 电 子 轮 辐 数，因 此 具 有 全腔提取结构 的 ＲＭ 难 以 产 生 线 极 化 ＴＥ１１ 同 轴 波 导模式。为了产生线极化 ＴＥ１１同 轴 波 导 模 式，本 文 提出了一种新型输 出 结 构，该 结 构 不 仅 能 更 容 易 地
史迪夫 等：轴向输出线极化 ＴＥ１１同轴波导模式的相对论磁控管的粒子模拟研究
第２期
具有高斯波形的高功率微波已广泛应用于民用 和军用领域 。 ［１］ 与 其 他 波 导 模 式 相 比，ＴＥＭ 模 式， 线极化 ＴＥ１１模 式，圆 极 化 ＴＥ１１ 模 式 均 可 高 效 直 接 地通过相应的天线辐射出高质量的高斯波形微波。
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ＳＨＩＤｉｆｕ，ＱＩＡＮ Ｂａｏｌｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇａｎｇ，ＬＩＷｅｉ，ＤＵ Ｇｕａｎｇｘｉｎｇ
第９卷 第２期 ２０１８ 年 ６ 月
现代应用物理
ＭＯＤＥＲＮ ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２０１８
轴拟研究
史迪夫，钱宝良，王弘刚，李 伟，杜广星
（国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 ４１００７３）
摘 要：提出了一种用于相对论磁控管（ＲＭ）中轴向输出线极化 ＴＥ１１同轴波导模式 的 新 型 输 出结构。该器件采用１０谐振腔结构并工作在 π模式上，通过合理设计谐振腔结构与输出同轴 波导之间的微波提取结构，模拟实现了线极化 ＴＥ１１同轴波导模式的 微 波 输 出。 与 传 统 全 腔 提 取结构相比，该新型输出结构，不仅能更容易地实现线极化 ＴＥ１１同轴 波 导 模 式 的 微 波 输 出，而 且在此基础上能更容易地实现更高频段 ＲＭ 的 设 计。粒 子 模 拟 结 果 表 明：当 电 压 为 ２２０ｋＶ， 磁场为０．４Ｔ 时，该器件的 工 作 频 率 为 ４．３８ＧＨｚ，输 出 功 率 为 ２０８ ＭＷ，功 率 转 换 效 率 达 到 ４６．６ ％。 关键词：高功率微波；相对论磁控管；线极化 ＴＥ１１模式；同轴波导 中图分类号：ＴＮ１２８ 文献标志码：Ａ 犇犗犐：１０．１２０６１／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５ ６２２３．２０１８．０２０５０１
根据前人的 研 究，相 对 论 磁 控 管 （ＲＭ）可 单 独 产 生 不同的波导 模 式，例 如矩 波 导中 的 ＴＥ１０模 式［２３］、圆 波导 中 的 ＴＥ０１ 模 式［４５］、线 极 化 ＴＥ狀１ （狀≥１）模 式 及 ［４８］ 圆 极 化 ＴＥ狀１ （狀≥２）模 式 。 ［７１０］ 直 到 ２０１２ 年，美国空军研究 实 验 室 提 出 了 一 种 具 有 全 腔 提 取 结构 的 ＲＭ［１１］，相 关 研 究［１２ 表 １４］ 明，该 ＲＭ 可 在 同 轴波导中单独产 生 ＴＥＭ 模 式、线 极 化 ＴＥ狀１（狀≥１） 模式及圆极化 ＴＥ狀１（狀≥１）模 式。 但 是 根 据 理 论 分 析［１２］，若要产生 线 极 化 ＴＥ１１ 同 轴 波 导 模 式，该 ＲＭ 必须 在 谐 振 腔 数 为 ４、电 子 轮 辐 数 为 １ 或 ３ 的 情 况 下才能实现。而另 一 方 面，由 于 ４ 腔 的 谐 振 腔 结 构 具有较强的模式隔 离 度 和 角 向 偶 对 称 性，在 模 拟 或
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＩｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙＳｔｕｄｉｅｓ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
犃犫狊狋狉犪犮狋牶ＡｎａｘｉａｌｏｕｔｐｕｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｌｉｎｅａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄＴＥ１１ｃｏａｘｉａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｍｏｄｅｆｏｒ ｒｅｌａｔｉｖｉｓｔｉｃｍａｇｎｅｔｒｏｎｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎｔｈｅｄｅｖｉｃｅａｔｅｎｃａｖｉｔｙｍａｇｎｅｔｒｏｎｉｓａｄｏｐｔｅｄａｎｄｉｔｏｐ ｅｒａｔｅｓａｔπｍｏｄｅ．Ｂｙａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅａｘｉａｌｏｕｔｐｕｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆｒｅｓｏｎａｎｔｃａｖｉｔｉｅｓａｎｄｔｈｅｃｏａｘｉａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅ，ａｌｉｎｅａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄ ＴＥ１１ ｃｏａｘｉａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｍｏｄｅｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈｔｈｅａｌｌｃａｖｉｔｙｍａｇｎｅｔｒｏｎａｘｉａｌｅｘｔｒａｃ ｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｅｎｏｖｅｌａｘｉａｌｏｕｔｐｕｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｎｏｔｏｎｌｙｃａｎｏｂｔａｉｎａｌｉｎｅａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄＴＥ１１ ｃｏａｘｉａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅｍｏｄｅ ｍｏｒｅｅａｓｉｌｙ，ｂｕｔａｌｓｏｃａｎｒｅａｌｉｚｅ ｍａｇｎｅｔｒｏｎｄｅｓｉｇｎｆｏｒｈｉｇｈｅｒｆｒｅ ｑｕｅｎｃｙｍｏｒｅｅａｓｉｌｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅａｐｐｌｉｅｄｖｏｌｔａｇｅｉｓ２２０ｋＶａｎｄｔｈｅ ａｐｐｌｉｅｄｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｉｓ０．４ Ｔ，ｔｈｅｄｅｖｉｃｅｃａｎｏｂｔａｉｎｔｈｅｏｕｔｐｕｔｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｏｗｅｒｏｆ２０８ ＭＷ，ａｔｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ４．３８ ＧＨｚ，ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏｔｈｅ ｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ４６．６％ ． 犓犲狔狑狅狉犱狊牶ｈｉｇｈｐｏｗｅｒ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ；ｒｅｌａｔｉｖｉｓｔｉｃ ｍａｇｎｅｔｒｏｎ；ｌｉｎｅａｒｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄ ＴＥ１１ ｍｏｄｅ； ｃｏａｘｉａｌｗａｖｅｇｕｉｄｅ
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实验中都很难产生１ 或 ３ 个 电 子 轮 辐 数，因 此 具 有 全腔提取结构 的 ＲＭ 难 以 产 生 线 极 化 ＴＥ１１ 同 轴 波 导模式。为了产生线极化 ＴＥ１１同 轴 波 导 模 式，本 文 提出了一种新型输 出 结 构，该 结 构 不 仅 能 更 容 易 地
史迪夫 等：轴向输出线极化 ＴＥ１１同轴波导模式的相对论磁控管的粒子模拟研究
第２期
具有高斯波形的高功率微波已广泛应用于民用 和军用领域 。 ［１］ 与 其 他 波 导 模 式 相 比，ＴＥＭ 模 式， 线极化 ＴＥ１１模 式，圆 极 化 ＴＥ１１ 模 式 均 可 高 效 直 接 地通过相应的天线辐射出高质量的高斯波形微波。
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现代应用物理
ＭＯＤＥＲＮ ＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２０１８
轴拟研究
史迪夫，钱宝良，王弘刚，李 伟，杜广星
（国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 ４１００７３）
摘 要：提出了一种用于相对论磁控管（ＲＭ）中轴向输出线极化 ＴＥ１１同轴波导模式 的 新 型 输 出结构。该器件采用１０谐振腔结构并工作在 π模式上，通过合理设计谐振腔结构与输出同轴 波导之间的微波提取结构，模拟实现了线极化 ＴＥ１１同轴波导模式的 微 波 输 出。 与 传 统 全 腔 提 取结构相比，该新型输出结构，不仅能更容易地实现线极化 ＴＥ１１同轴 波 导 模 式 的 微 波 输 出，而 且在此基础上能更容易地实现更高频段 ＲＭ 的 设 计。粒 子 模 拟 结 果 表 明：当 电 压 为 ２２０ｋＶ， 磁场为０．４Ｔ 时，该器件的 工 作 频 率 为 ４．３８ＧＨｚ，输 出 功 率 为 ２０８ ＭＷ，功 率 转 换 效 率 达 到 ４６．６ ％。 关键词：高功率微波；相对论磁控管；线极化 ＴＥ１１模式；同轴波导 中图分类号：ＴＮ１２８ 文献标志码：Ａ 犇犗犐：１０．１２０６１／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５ ６２２３．２０１８．０２０５０１
根据前人的 研 究，相 对 论 磁 控 管 （ＲＭ）可 单 独 产 生 不同的波导 模 式，例 如矩 波 导中 的 ＴＥ１０模 式［２３］、圆 波导 中 的 ＴＥ０１ 模 式［４５］、线 极 化 ＴＥ狀１ （狀≥１）模 式 及 ［４８］ 圆 极 化 ＴＥ狀１ （狀≥２）模 式 。 ［７１０］ 直 到 ２０１２ 年，美国空军研究 实 验 室 提 出 了 一 种 具 有 全 腔 提 取 结构 的 ＲＭ［１１］，相 关 研 究［１２ 表 １４］ 明，该 ＲＭ 可 在 同 轴波导中单独产 生 ＴＥＭ 模 式、线 极 化 ＴＥ狀１（狀≥１） 模式及圆极化 ＴＥ狀１（狀≥１）模 式。 但 是 根 据 理 论 分 析［１２］，若要产生 线 极 化 ＴＥ１１ 同 轴 波 导 模 式，该 ＲＭ 必须 在 谐 振 腔 数 为 ４、电 子 轮 辐 数 为 １ 或 ３ 的 情 况 下才能实现。而另 一 方 面，由 于 ４ 腔 的 谐 振 腔 结 构 具有较强的模式隔 离 度 和 角 向 偶 对 称 性，在 模 拟 或
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＩｎｔｅｒｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙＳｔｕｄｉｅｓ，ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
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