圆极化TE_(11)输出模式旋向可在线切换的相对论磁控管模拟研究

旋 圆 极 化 TE11 模 式 且 模 式 纯 度 达 到 99% 以 上 ； 当 外 加 轴 向 磁 场 与 微 波 轴 向 输 出 方 向 反 向 时 ， 该 器 件 的 输 出 模 式
即 可 在 线 切 换 为 左 旋 圆 极 化 TE11 模 式 ， 而 其 他 输 出 性 能 基 本 保 持 不 变 。
100 200 300 400 z/mm
Fig. 1 Schematic diagram of the longitudinal profile of the RM 图 1 RM 纵剖面结构
波导张角 θc2＝55°。该模型整体结构可分为四个部分，即 A 部分：用于电功率输入的同轴结构；B 部分：用于束波 相互作用的谐振腔结构；C 部分：用于微波提取和模式转换的扇形波导结构；D 部分：用于微波输出的同轴结构。
Shi Difu， Qian Baoliang
（College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）
Abstract： A relativistic magnetron with online switchable rotation direction of a circularly polarized TE11 output mode is proposed. In the device, the same cavity magnetron is adopted as the beam-wave interaction structure, the all-cavity extraction structure is adopted as the output structure, and the Helmholtz coils system is adopted as the magnetic system. In this paper, the output mode components of the device are theoretically analyzed by the mode excitation theory of all-cavity extraction structure, and the performance of the device is investigated by Particle in Cell simulation. Simulation results show that when the applied voltage is 770 kV and the applied magnetic field that has the same direction with the output microwave is 0.2 T, the device that operates at 5π/6 mode can output a right circularly polarized TE11 mode with the mode purity of more than 99%, the operating frequency of 2.35 GHz and the output power of 3.86 GW, corresponding to the power conversion efficiencyof 55.5%. When the direction of the applied magnetic field is reversed, the rotation direction of the right circularly polarized TE11 mode can be online switched to the left in the condition of keeping other performance of the device.
与线极化微波相比，圆极化微波总是能被多种不同极化方向的天线（圆极化方向相反的天线除外）接收，因此 圆 极 化 微 波 广 泛 用 于 雷 达 、 导 航 、 制 导 、 通 信 、 广 播 等 业 务 [1]。 为 了 能 使 圆 极 化 微 波 能 量 更 集 中 、 传 播 距 离 更 远 ， 微波发射天线通常以 TE11 模或 TEM 模作为馈入模式，以便能高效地辐射出一个在远场具有类似高斯能量分布的 微波 。 [2-3] 其中的圆极化 TE11 模，对于发射天线产生高质量的高斯分布圆极化微波具有重要作用。而旋向可在线 切换的圆极化 TE11 模，由于能够实现圆极化微波旋向的在线切换，因此更能适应任意极化方向的接收天线，效费
Er×Bz 的电子漂移方向可判断电子轮辐的旋转方向为逆时针方向；当外加磁场方向沿−z 方向时，由 Er×Bz 的电子
漂移方向可判断电子轮辐的旋转方向为顺时针方向。其中，Er 为外加电场的径向分量，Bz 为外加磁场的轴向分
量。文献 [10] 指出，对于逆时针旋转的电子轮辐，产生 TEM 模式、左旋圆极化 TEn1 模式和右旋圆极化 TEn1 模式
* 收稿日期：2021-03-31； 修订日期：2021-06-06 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 61901484） 作者简介：史迪夫（1987—），男，博士，主要从事高功率微波技术研究。
073003-1
强 激 光 与 粒 子 束
比 较 高 。 截 至 目 前 ， 多 种 类 型 的 高 功 率 微 波 源 可 产 生 不 同 的 微 波 模 式 ， 但 是 除 了 相 对 论 磁 控 管 （ Relativistic Magnetron，RM）[4-10] 外，无需模式转换器而直接产生圆极化 TE11 模式的高功率微波源却少有报道。即使其他高功 率微波源采用现有的模式转换器实现了圆极化 TE11 模式的输出，也很难实现该模式旋向的在线切换。为此，本文 提出了一种圆极化 TE11 输出模式旋向可在线切换的 RM，并分别从理论和模拟方面进行了分析和验证。
1 结构分析
如图 1 和 2 所示，利用三维粒子模拟软件[11] 对一个圆极 化 TE11 输出模式旋向可在线切换的 RM 建立计算模型。不 失一般性，该模型互作用区结构采用 12 腔的同腔型磁控管 结构，输出结构采用全腔提取结构[12]，励磁系统采用 Helmholtz
r/mm
200
C
D
A
Bቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
100
的模式激励理论对该器件的输出模式成分进行了理论分析，利用粒子模拟软件对该器件的工作性能进行了模
拟 研 究 。 粒 子 模 拟 结 果 表 明 ： 在 外 加 电 压 770 kV 和 外 加 轴 向 磁 场 0.2 T（ 方 向 与 微 波 轴 向 输 出 方 向 同 向 ） 的 条 件
下 ， 该 器 件 的 工 作 模 式 为 5π/6 模 ， 工 作 频 率 为 2.35 GHz， 输 出 功 率 为 3.86 GW， 功 率 效 率 达 到 55.5%， 输 出 模 式 为 右
关 键 词 ： 高 功 率 微 波 ； 相 对 论 磁 控 管 ； 全 腔 提 取 ； 圆 极 化 TE11 模 式 ； 输 出 模 式 旋 向 在 线 切 换
中图分类号： TN128
文献标志码： A doi: 10.11884/HPLPB202133.210124
Simulation study on relativistic magnetron with online switchable rotation direction of a circularly polarized TE11output mode
的必要条件分别为
n0
=
N 2
(2k + 1) ,
nL
=
n0
−
N 2
pL,
nR
=
−n0
+
N 2
pR,
k ∈ Z and k ⩾ 0
pL
∈
Z
and
pL
<
2n0 N
pR
∈
Z
and
pR
>
2n0 N
（1）
Rc2 Rc1
θc1
θc2
Rv
θ
Rc Ra
(a) S1 plane
(b) S2 plane
(c) S3 plane
（国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 410073）
摘 要 ： 提 出 了 一 种 圆 极 化 TE11 输 出 模 式 旋 向 可 在 线 切 换 的 相 对 论 磁 控 管 。 该 器 件 互 作 用 区 结 构 采 用 同 腔 型 磁 控 管 结 构 ， 输 出 结 构 采 用 全 腔 提 取 结 构 ， 励 磁 系 统 采 用 Helmholtz 线 圈 磁 场 系 统 。 本 文 利 用 全 腔 提 取 结 构
由于对 C 部分的扇形波导和 D 部分的同轴波导的横截面尺寸均有限制，因此，对于 2.35 GHz 的目标工作频率而
言，在扇形波导中将只有 TE11 模式能稳定传输，在同轴波导中将只有 TEM，TE11，TE21，TE31 和 TE41 模式能稳定传 输，而其他高阶波导模式将被衰减和抑制。在研究中，设置观察方向沿−z 方向。当外加磁场方向沿＋z 方向时，由
(d) S4 plane
Fig. 2 Schematic diagram of the transversal profiles of the RM 图 2 RM 横剖面结构
对于顺时针旋转的电子轮辐，产生 TEM 模式、左旋圆极化 TEn1 模式和右旋圆极化 TEn1 模式的必要条件分别为
n0
=
N 2
Key words： high power microwave； relativistic magnetron； all-cavity extraction； circularly polarized TE11 mode； online switchable rotation direction of output mode
的电子轮辐数 n0 与输出模式成分的对应关系，如表 1 所示。从表 1 中可以看出，若要输出同轴 TEM 模式，则需该 12 腔 RM 产生 6 个电子轮辐，且需同轴输出波导至少截止 TE61 模式；若要输出同轴右旋圆极化 TE11 模式，则需该 12 腔 RM 产生 5 个电子轮辐，且需同轴输出波导至少截止 TE51 模式；若要输出同轴左旋圆极化 TE11 模式，则需该 12 腔 RM 产生 7 个电子轮辐，且需同轴输出波导至少截止 TE51 模式。其他对应关系的相关结论同理可得。同样， 由（2）式可得到电子轮辐顺时针旋转情况下该 12 腔 RM 的电子轮辐数 n0 与输出模式成分的对应关系，如表 2 所示。
S1
S2
S3
S4
线圈磁场系统。该模型的主要结构参数如下：阴极半径 Rc＝31 mm，阳极半径 Ra＝61 mm，谐振腔半径 Rv＝81 mm，谐 振腔张角 θ＝15°，扇形耦合腔内半径 Rc1＝87 mm，扇形耦合 腔外半径 Rc2＝100 mm，扇形耦合腔张角 θc1＝45°，扇形输出
0 −100 0
(2k + 1) ,
nL
=
−n0
−
N 2
qL,
nR
=
n0
+
N 2
qR,
k ∈ Z and k ⩾ 0
qL
∈
Z
and
qL
<
−
2n0 N
qR
∈
Z
and
qR
>
−
2n0 N
（2）
073003-2
史迪夫等： 圆极化 TE11 输出模式旋向可在线切换的相对论磁控管模拟研究
式中：n0 为电子轮辐数；N≥4 为谐振腔总数；nL 和 nR 分别为左旋和右旋圆极化模式的角向模式数；Z 为整数集。 根据文献 [10] 提出的全腔提取结构的模式激励理论，由（1）式可得到电子轮辐逆时针旋转情况下该 12 腔 RM
第 33 卷第 7 期 2021 年 7 月
强 激 光 与 粒 子 束
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Vol. 33，No. 7 Jul.，2021
·先进磁控管技术专题·
圆极化 TE11 输出模式旋向可在线切换的 * 相对论磁控管模拟研究
史迪夫， 钱宝良