A6相对论磁控管模式切换射频信号馈入方法.pdfVIP

第 25卷第 10期 强 激 光 与 粒 子 束 Vo1．25，NO．10 2013年 1O月 HIGH POW ER IASER AND PARTICLE BEAM S Oct．，2013 文章编号 ： 1001—4322(2013)10—2636～07 A6相对论磁控管模式切换射频信号馈入方法 刘美琴， 刘纯亮， 王洪广，保 荣，李彦松， 范壮壮 (西安交通大学 电子物理与器件教育部重点实验室 ，西安 710049) 摘 要 ： 目前国际上提出了采用短脉冲射频 (RF)信号实现相对论磁控管的模式切换 ，数值模拟经证实 了可 以采用几十 kW 到几百 kW 的RF信号实现相对论磁控管采用轴 向提取功率的相邻模式 以及同一模式的 不 同纵向模式之间的切换 ，这里假设所需的RF信号的能量 已经馈人到相对论磁控管腔体 内。提 出了实验系 统中采用扇形波导和探针天线来馈人前级微波源来提供模式切换所需的RF信号的能量 的方法 。该方法分为 两个步骤 ，首先采用扇形波导来将前级微波源提供的能量馈人到相对论磁控管的阳极体 中；然后利用探针天线 将馈入的RF信号辐射至相对论磁控管腔体 内，提供模式切换所需的能量 。数值模拟证实了该方法在实际应 用 中具有可行性以及实用性 。 关键词 ： 相对论磁控管； 模式切换 ； 射频信号； 探针天线 中图分类号 ： TL50I 文献标志码 ： A doi：10．3788／HPLP2636 高功率微波 (HPM)作为一种重要 的高功率 电磁辐射 ，广泛应用于聚变等离子体加热、太 空推进等方 面I】 。频率可变的高功率微波源被广泛应用于不 同材料 的属性研究，其中包括采用相对论磁控管这一高功 率微波源来触发等离子体，研究等离子体的一些属性 。相对论磁控管的效率通常小于传统磁控管的效率 ，但透 明阴极驱动下经过优化设计后的相对论磁控管的效率可高达 7096／ ]，峰值输出功率可达 GW级_2。。相对 论磁控管的频率调谐可以通过多种方式来实现，比如机械调谐 ，即采用机械手段改变高频系统的等效电容和等 效电感 ，包括电容环 、电感环等。目前美 国密歇根大学提出的利用射频 (RF)信号实现长脉冲相对论磁控管工 作模式调制E27]。美 国新墨西哥大学研究了轴向提取输出功率相对论磁控管 ，在不改变外加电场和磁场的情况 下，利用 kW 级短脉冲RF信号实现相对论磁控管 中不同工作模式的切换和同一模式中不同纵 向模式之间的 切换_2引。这种模式切换方法 ，具有切换速度快 、切换后的工作模式稳定和工作频谱纯净等优点，在工程设计 中易于实现。本文在此基础上提 出了采用扇形波导和探针天线来馈人模式切换所需的RF信号的能量 的方 法。实验系统中相对论磁控管模式切换所需的能量是通过前级微波源来馈入。目前普通前级微波源提供的能 量几十 Mw 。由于相对论磁控管采用衍射输 出功率，任意一本征模式均可作为其工作模式 ，在相对论磁控管 阳极腔体中挖一扇形波导 ，将模式切换的能量馈人以后 ，采用探针天线来将馈人的 RF信号辐射至相对论磁控 管腔体内，通过调整探针天线的位置 ，并且优化探针天线的结构可以实现 RF信号的馈入。 l 基本原理 相对论磁控管采用衍射输出时任一本征模式均可作为其工作模式 ，考虑不破坏相对论磁控管结构对称性 时，将模式切换所需要 的RF信号从磁控管腔体外馈人 ，进而提供模式切换所需要的RF信号能量 。本文在 阳 极体上挖一个扇形波导并且在阳极翼片上放置一探针天线 ，来实现从扇形波导馈入到磁控管的RF信号的耦 合 。数值模拟对探针天线沿磁控管纵 向腔体位置进行调整 ，并且优化探针天线的几何结构，使得探针天线沿纵 向的位置与前级微波源馈入的RF信号的电场幅值所处的纵 向位置一致 ，达到探针天线对 RF场耦合较强 的 目的，进而提高馈人能量的耦合 。这种 RF信号能量馈人 的思想对相对论磁控管轴向输 出功率的RF信号能 量馈人提供了基础和参考依据。 1．1 扇形波导的设计和位置 在磁控管的两个相邻翼片上挖一个扇形波导，将频率为 2．33GHz的TE。模式 RF信号从扇形波导注入 。 然后再通过探针天线将TE。模式能量耦合进磁控管的其 中一个腔体内。扇形波导 的尺寸 由输入 的工作频