双腔速调管的三维结构设计与粒子模拟

的， 因而对 高频场 与 电子 注能 量 的 转 化进 行 模 拟仿 真是 十分 必要 的 。本文 采 用 Ｐ Ｃ三 维模 拟 软 件 ， Ｉ 建 立 的是 直 角坐标 ， 速调管 的工作 电压 ８ Ｖ 工 作 其 ０ｋ
电流 ４ 工作 中心频 率 ２ ８ ５Ａ， ． ５ＧＨｚ在轴 向加 上均 ，
一
３ 双 腔 速 调 管 的冷 测
ｔ
根据 上 面的计 算模 型 ， 用 Ｐ Ｃ软 件 的 相关 功 利 Ｉ
能 ， 以得到输 入－ 可 腔和输 出腔的 谐振 频率 、 特性 阻抗 （） ３
Ｒ ［Ｌ （ ｅ ｏ］ ｅ ２ ｌ ｘ）ｊ ｏ
Ｒ Ｑ， Ｑ 和腔 体 电场在轴 向的分布 。通过测试 ， ／ 外
图 ｌ 双 腔 速 调 管 的 剖 面 图
电流对 输 出是 有 利 的 ， 我们 知 道 合适 的基 波 电 流将
对 速调 管 的工作性 能 起 关 键 作用 ， 基波 电流 大 小将
决 定输 出 间隙感 应 的 高频 电压 的 大小 ， 正如 前 面所
述 ， 小输 出功率 也 小 ； 大 会 造 成 电子 注 的返 转 ， 太 太 不 但功 率要 下 降 ， 会 引起 其 它不 利 的后果 。从 图 还 ５可 以看 出 ， 电子注 在经 过输 出间隙 时 ， 电子 相 位 从
发展 ， 利用 Ｐ Ｃ粒子 模 拟仿 真 手 段在 很 多 电磁 领 域 Ｉ 都取 得 了很 好 的参考 和指 导作 用 。在 电真空微 波 器
段漂 移距 离后 ， 在输 出腔 间隙 处 形 成密 度 很 大 的
电子 团 ， 由于 电子 注 与 间 隙处 的 场 同 步发 生 注 波互
作用 ， 时 电子将 自身 携 带 的动 能 转化 成 高 频 微 波 这
匀磁 场 。 ４ １ 基 波 电流 的 确 定 ． ｒ
Ｐ Ｃ模 拟软 件把这 个能 量转 化 的整 个 过程 进行 了仿 Ｉ
真， 建模 如图 １所示 ， ２是 该 速 调 管 的三 维 图 ， 图 输 入输 出波 导都 在速 调 管 的 同一 侧 ， 导 与腔 体 的 耦 波
合孔 根据 功率 和带宽 来决定 。
Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅｏ ｔ ｕ ｔ ｒ ｆ Ｔｗｏ Ｃａ ｉｉ ｓ Ｋｌ ｓ ｒ ｎ ｖ ｔｅ ｙ ｔ ｏ
ＺＨＯＮＧ ｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏ Ｚｈｉｑ ａ ｇ ～ ｉｎ （ ｙＬａ ｏａ ｏ ｙ ｏ Ｈｉ ｈ Ｐｏ ｒＭｉｒ ｗａ ｅＳ ｕ ｃ ｓａ ｄ Ｔｅｈ ｏｏ ｅ ， ｎｔｔ ｔ Ｋｅ ｂ ｒ ｔｒ ｆ ｇ ｗｅ ｃｏ ｖ ｏ ｒｅ ｎ ｃ ｎ ｌｇｉｓ Ｉ ｓｉｕ ｅ ｏ ｅｔｏ ｉｓ Ｃｈｎ ｓ ａ ｍｙ ｏ ｉｎ ｅ ， ｉｉｇ １ ０ ９ ， ｉａ ｆＥｌｃｒｎ ｃ ， ｉｅｅ Ａｃ ｄｅ ｆ Ｓｃｅ ｃ ｓ Ｂｅｊ ｎ ０ １ ０ Ｃｈ ｎ ）
设计 的双腔 速 调 管 剖 面 图 如 图 １ 直 流 电子 注 ， 从左 边注入 ， 经过 输入 腔时 ， 注入 输入 腔 的高频微 被 波调 制 ， 到速度 调 制 的 电子 注 在 漂 移管 前 进 过程 受
中， 不断地 群聚 ， 形成 一 团一 团 的群 聚块 ， 些 群 聚 这
图 ３ 腔 体 本 征模 电 场在 轴 向 分 布 云 图
３ ， 和增 益 达 到 了 ２ ． Ｂ ５ 饱 ０ ８ｄ 。
关 键 词 ： 腔 速 调 管 ； 形 波 导 ； 心 频 率 ； 和增 益 双 矩 中 饱
中 图分 类 号 ： Ｎ ２ Ｔ １２ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ０ ２ ８ ３ （ ０ １ ０ － ０ ０ —０ １０ － ９５ ２ １ ）２ ０ ５ ４
１ 双 腔 速 调 管 理 论
速调 管是 基于速 度 和密度 调制 原理 将 电子注 动
能 转换成 微 波能量 的微 波 真 空 电子 器 件 ， 电子 注 在
电子 注携带有 丰富 的高频能量 ， 如果 在高频谐波 能量 最 大处 的位 置放置输 出腔 ， 那么将会 有非 常可 观的微
２ １ ０ １
ｏ ｔｕ ｏ ｅ ａ ｅｎａｈｅ ｅ ｔ ｈ ｅ ｔｒ ｒｑ ｅ ｃ ｆ ． ５ＧＨｚ ｕ ｐ ｔ ｗ ｒｈ ｓｂ ｅ ｃ ｉ ｄａ ｅｃｎｅ ｅ ｕ ｎ ｙｏ ８ ｐ ｖ ｔ ｆ ２ ．Ｔｈ ｆ ｃ ｎ ｙｉ ３ ％ ａ ｄｔｅｓｔ — ｅｅｆ ｉ ｃ ｉｅ ｓ ５ ｎ ｈ ａｕ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｗｏ ｃ ｖ ｔｅ ｌ ｓ ｒ ｎ ｗｉ ｖ ｇ ｉ ｅ ｉ ｐ ｔａ ｄ ｏ ｔ ｕ ｓ ｍｏ ｅｅ ｓｒ ｃ ： ｔ ａ ｉｉ ｓｋ ｙ ｔ ｏ ｔ ｗａ ｅ ｕ ｄ ｎ ｕ ｎ ｕ ｐ ｔｉ ｄ ｌｄ，ｄ ｓｇ ｅ ｎ ｐ ｉ ｉｅ ｈ ｅ ｉ ｎ ｄａ ｄｏ ｔ ｚ ｄ ｍ
定输 出特 性 。在模 拟 过 程 中 ， 现 了 电子 注 容 易 发 发 生震 荡和 反转 现象 ， 因此 采 取 了一 种 有 效 的 方 法就 是腔 体加 载 ， 一个 经验公 式 ： 有 ｊ
置， 基波 电流 与轴 向距离 之 间的关 系如 图 ４所示 ， 通
过 不断 改变输 入功 率 ， 轴 向基波 电流基 本不 变 ， 其 大
约 距离 阴极 ７ ８ｍｍ 处 ， 与 解 析 方 法 计 算 是 一 致 这
高频电子注 输 出腔
的 。找 到 了位 置还 不 是 最 终 目的 ， 到底 多 大 的 基波
速调 管是 一种 电真 空 微 波放 大 器 件 ， 有 大 功 具
经 过输 入腔 时被馈 人 输 入 腔 的微 波 所 调 制 ， 经 过 在
一
率、 高效 率和 高增益 的特 点 ， 基本 工作 原理 是通 过 其
电子 注与 高频 场 的相 互 作 用 ， 直 流 能 量 转 换 成 高 将 频微 波能 量 ］ 。进 十年 来 ， 随着 计 算 手 段 的快 速
图 ２ 双 腔 速 调 管 的 三 维 图
得 到 电子注 在轴 向传 播 的基 波 电流 密 度 的分 布 ， 同
曩 二
时要观察 电子 注在 输 出间隙 上 的电压 、 动量 、 能量 和
轴 向磁场 ， 合这 几 个 因 素 ， 电子 注 不 返转 ， 时 结 在 同
能 量分 布要求 不要 太 离 散 ， 有 这样 才 有 较 好 的 稳 只
能量 ， 时在输 出腔 接一耦 合 波导 ， 这 这些 高频微 波就 可 以得 到很 好 的 利用 了 。首先 看 看 第 一过 程 ， 经过 输 入 腔 的电子 的速度 表达 式 ：
件领域 ， 利用 仿 真手 段 发 展也 很 快 。利 用 Ｐ Ｃ软 件 Ｉ 来研究 直流 电子 注与 高频 场之 间 的能 量转 化进 行深 入 分析是 十 分必要 的［ 。但是 由于计算 手段 和计 算 ３ ］ 方 法 的限制 ， 很难 建立 与工 程一致 的计 算模 型 ， 而本 文 将建立 与 实际工 程 相 一 致 的仿 真 模 型 ， 于 电磁 基 仿 真 Ｐ Ｃ软 件 ， 文 采取 三维 粒 子 模 拟 软 件 ， 工 Ｉ 本 对 作 中心频 率 在 ２ ８ ． ５ＧＨｚ的双腔 速调 管进 行 了结 构 优 化和粒 子模 拟 。
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研 究 与 设 计
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双 腔 速 调 管 的三 维 结构 设 计 与粒 子模 拟
钟 勇 ，张 志 强
（ 中国 科 学 院 电 子 学 研 究 所 中 国科 学 院高 功 率 微 波 源 与 技 术 重点 实验 室 ，北 京 １ ０ ９ ） ０ １ ０
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ Ｐａ ｔｃ ｅ Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｓ ｇ ｎ ｒ ｉ ｌ ｉ ｌ ｔｏ ｆ Ｔｈｒ ｅ Ｄｉ ｅ ｉ ｎ ｌ ｅ － ｍ ｎｓｏ ａ
ｒ ｔ ｄ ｇ ｉ ｓ２０ ８ ｄ ａ ｅ ａ ｎ ｉ ． Ｂ． Ｋｅ ｒ ｓ Ｔｗｏ ｃ ｖ ｔｅ ｙ ｔｏｎ，Ｒｅ ｔ ｎｇ ａ ｖ ｇ ｄ ｙ ｗｏ ｄ ： ａ ｉｉｓ ｋｌ ｓ ｒ ｃ ａ ｕｌ ｒｗａ ｅ ｕｉ ｅ，Ｃｅ ｔ ｒ ｆｅ ｕｅ ｙ，Ｓａ ｕ ａ ｅ ａ ｎ ｎ ｅ ｒ ｑ ｎｃ ｔ ｒ ｔ ｄ ｇ ｉ
摘 要 ： 用 三 维 Ｐ Ｃ软 件 ， 立 与 双 腔 速 调 管 几 何 尺 寸 完 全 一 致 的 计 算 模 型 ， 矩 形 波 导 输 入 和 矩 形 波 导 输 出 速 调 管 做 利 Ｉ 建 对 了 设计 和优 化 ， 工 作 电压 ８ Ｖ， 流 ４ 工作 中 心 频 率 为 ２ ８ 在 Ｏｋ 束 ５Ａ， ． ５ＧＨｚ 件 下 ， 到 了 １２ 条 得 ． ３Ｍｗ 的输 出 功 率 ， 率 达 到 了 效
Ｖ— Ｗ （ ＋ ÷ａ ｉａ ） ｏ１ ｓ ｚ ｎ
（） １
式 中 ，３ 电子 进 入 输 入 腔前 速 度 ； ｔ 输 入 腔 电 ７ 。为 ０为 压 调制 系数 。 电子在 不 同时刻 到达某 处 的电流 表达式 ：
Ｊ —
Ｌ 志 ＋ 志 ＋“ ） （ ． ）
从式 （） １ 和式 （） 明显看 出 ， ２很 经过输 入腔调 制 的
在确 定 了腔体 的冷 测参 数 后 ， 入腔 与 输 出腔 输
之 间 的漂 移空 问是 通 过 计算 基 波 电流来 实 现 的 ， 利
用 Ｐ Ｃ软件 的相关 功 能 ， 寻找 经 过输 人 腔 被调 制 Ｉ 去
输入 腔
后 的 电子注在 前进 过 程 中基 波 电流 最 大 的位置 ， 也 可 以用解 析 的方法 来求得 在 轴向基 波 电流 最大 的位
得 到 了两个腔 体 的谐 振 频 率都 为 中心 频率 ， 特性 阻 抗都 一致 ， 优化 腔 体尺寸 后 为 ｌ ８ 图 ３是 腔 体 的本 Ｏ， 征模 的电场沿 轴 向分布 云 图 。外 Ｑ 为 ３ 。 Ｏ
从式 （ ） 以知 道在 漂移 空间 的某 个位 置 ， 波 ３可 基
电流将 达到最 大 ， 以在 基 波 电流 最 大处 的感 应 电 所
流也是 最大 的 ， 如果 放上输 出腔 ， 其最 大感 应 电流为 基 波 电流 ， 出 间 隙 上 的 电 压 等 于 电子 注 电 压 ， 输 那 么， 则输 出腔 的输 出功率 为 ：
１
Ｐ 一 ÷ Ｒ （ｌ 。 ｅ Ｊ ×Ｖ ） ０
（） ４
２ 双腔 速 调 管计 算 模 型
４ 注 波 互 作 用 的 模 拟 仿 真
・
块在 经过输 出腔 时激励 的高频 电压对 电子起 到减速
的作 用 ， 而把 电子注 的高频 能 量转化 成高频 微 波 ， 从 这样 在输 出波导 处 得 到功 率 更 大 的微 波 ， 文 采 用 本
速调管 的高 频能 量是集 中在 输 出腔 中实现交换
空 间图 中可 以看 到 电子 已经 开始 返 转 了 ， 通 过观 而
察 电子 在轴 向 的动量 图 ， 明显 的 看 到有 相 当 一部 很
分 电子动量 已经 变成 负值 。因 而合理 的基波 电流将
会 使输 出功 率达 到最 大 ， 同时 也 会 使速 调 管 工作 更
加 稳定 。通 过调 整输 入 腔 的 馈人 微 波功 率 ， 可 以 就
ｂｙ ｔ ｅ — ｍｅ ｓ ｏ ｌＰＩ ｓ ｆ ｗａ ｅ Ｗ ｉｈ ａ ｃ ｒ ｅ ｆ４５ Ａ ，１ ３ Ｍ Ｗ ｈｒ ｅｄｉ ｎ ｉ ｎａ Ｃ ｏ ｔ ｒ ． ｔ ｒ ｉ ｏ ｔ ｇ ｆ８ ａ ｅ ｍ ｕ ｒ ｎｔｏ ．２
— — ． ． ． ． ． ． ． ．，
－
０ ２
— — ． ． ． ．
．
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．
．
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． ．．． ． ．
波输出。我们 比较感兴趣 的是基 波 ， 式（ ） 傅里 叶 将 ２用
展开后 ， 取 一 １群 聚 电子 注 中 的基 波 电流 分 量 为 ： ，
Ｉ １— ２ ０ Ｘ ） ｏ （ 一 ０ ） １Ｊ （ ｃ ｓ ￣ ｏ