S波段低磁场紧凑型相对论磁控管设计.pdf

高功率微波技术S 波段低磁场紧凑型相对论磁控管设计*张伟1,2，徐莎1，秦奋1，雷禄容1，王冬1，张勇1，鞠炳全1，崔越1,2（1.中国工程物理研究院应用电子学研究所高功率微波技术重点实验室，四川绵阳621900；2.中国工程物理研究院研究生院，四川绵阳621999）摘要：针对高功率微波器件的低磁场小型化发展需求，设计了工作在 S 波段的低磁场紧凑型相对论磁控管，建立了三维仿真模型。设计衍射输出结构，输出模式为 TE11模。在圆波导中 TE11模具有最小的截止半径，因此选取 TE11模输出比高阶模输出具有更小的波导半径。分析了磁控管的输出性能随磁场、输出波导半径和倾斜角的变化规律。在磁场 0.34T、电压 352kV 条件下，模拟仿真结果显示磁控管输出功率达到 567MW，功率转换效率为 62.5%，在频率为 2.37GHz 时波导半径仅为 77.5mm。关 键 词：磁控管；S 波段；轴向衍射输出；TE11模式；粒子模拟中图分类号：TN125文献标志码：Adoi:10.11884/HPLPB202335.230058DesignofacompactS-bandrelativisticmagnetronoperatingatlowmagneticfieldZhangWei1,2，XuSha1，QinFen1，LeiLurong1，WangDong1，ZhangYong1，JuBingquan1，CuiYue1,2（1.Key Laboratory on High Power Microwave Technology,Institute of Applied Electronics,CAEP,Mianyang 621900,China;2.Graduate School of China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621999,China）Abstract：Forcompacthigh-powermicrowavedevicesoperatingatlowmagneticfield,acompactS-bandrelativisticmagnetronoperatingatlowmagneticfieldwasdesignedandsimulatedwiththree-dimensionalparticle-in-cellcodes.ThistuberadiatesTE11modeincircularwaveguidewithdiffractionoutputstructure.AsthecutoffradiusofTE11modeisthesmallestincircularwaveguide,comparedwithhighermodes,theradiusoftheoutputwaveguidecouldbereducedobviously.Theoutputperformanceasafunctionofmagneticfield,radiusofwaveguideandanglewasstudied.Typicalsimulationresultsshowthatmicrowavepowerof567MWwasgeneratedat2.37GHzwhenthevoltageandmagneticfieldwere352kVand0.34T,thepowerconversionefficiencywas62.5%,andtheradiusofwaveguidewasonly77.5mm.Keywords：magnetron,S-band,axialdiffractionoutput,TE11mode,PICsimulation随着对高功率微波器件的不断深入研究，具有结构紧凑、可便携、高功率、高可靠和高效率等特点的微波器件越来越受到重视。在所有的高功率微波(HPM)器件中，由于相对论磁控管(RM)具有起振快、高功率、宽带可调谐性和低磁场等优点1-2，在超级干扰源、高功率雷达等领域都有广泛的应用3。现阶段对相对论磁控管的研究主要在高功率方向和高效率方向4-8。衍射输出相对论磁控管(MDO)除具有高功率高效率的优点外，还能直接轴向辐射不同 TE 模式的微波，是一种结构紧凑的高功率微波器件，被人们寄予关注9。本文针对高功率微波器件中的低磁场和小型化要求，提出一个工作磁场为 0.34T、输出模式为 TE11模的高效率 S 波段相对论磁控管，相对论磁控管采用衍射输出结构9-11。在磁场为 0.34T、电压为 352kV 条件下，仿真结果显示输出功率为 567MW，功率转换效率为 62.5%，并且在工作频率 2.37GHz 时，输出波导半径仅为 77.5mm，相较高阶模输出，磁控管的结构更为紧凑，更便于实现磁控管的小型化发展需求，利于磁控管在实际中的应用。*收稿日期：2023-03-23；修订日期：2023-07-05联系方式：张伟，。通信作者：徐莎，。第35卷第9期强激光与粒子束Vol.35，No.92023年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.，2023093001-11相对论磁控管器件设计相对论磁控管是一种典型的正交场器件，其轴向磁场与径向电场正交。相对论磁控管由阴极、阳极和输出结构组成，由于阴阳极之间的高压，阴极发射角向漂移的电子。电子满足束波同步条件时，会激励起高频场。高频场会对电子产生约束，形成电子群聚，同时电子在阴阳极间运动并与高频场交换能量，最后输出结构提取并输出高频场能量。相对论磁控管正常工作需要合适的电压和磁场，根据 Buneman-Hartree 公式，可以计算一定电压下的最低谐振磁场，Buneman-Hartree 公式eVmc2=eBmc(r2ar2c)2rarancn+1(rancn)21/21（1）式中：e 表示电子电荷量；m 表示电子质量；c 表示光速；V 表示电压；B 表示磁场；n 表示模式数；n表示模式数为n 的角频率；ra表示阳极半径；rc表示阴极半径。为了设计低磁场的相对论磁控管，固定工作电压为 350kV，仅改变阳极半径，分析不同阳极半径下的最低谐振磁场。结果如图 1 所示，随着阳极半径的增加，工作电压为 350kV 时，相对论磁控管的最低谐振磁场呈现下降的趋势，对比其他结构参数12，当阳极半径为 21.1mm 时，相对论磁控管的最低谐振磁场为 0.454T，而当阳极半径为 23.6mm 时，相对论磁控管的最低谐振磁场仅为 0.349T。同时阳极半径的增加可以降低阳极的高频场强，防止击穿的风险。本文采用的是典型的 6 腔磁控管的基本结构13-14，结构如图 2 所示，该器件包含有阴极、阳极和衍射输出结构等，Rc表示阴极半径，Ra表示阳极半径，Rv表示谐振腔半径，表示谐振腔张角，和 表示阳极块和外壁渐变的角度，Ro表示输出波导半径。图 2（a）是磁控管阳极结构的横截面图。磁控管阳极包括有 6 个扇形结构的谐振腔，其中阳极半径 Ra为 23.6mm，谐振腔半径 Rv为 44.2mm，谐振腔张角为 20，阴极采用透明阴极12,15-18，其中阴极半径 Rc为 10.2mm，圆柱形发射条直径为 3mm，发射条长度为 85mm，阴极端帽为圆柱形端帽19-21。磁控管输出结构的主要作用是提取存储在谐振腔的高频场能量并输出，根据提取方式的不同，分为径向输出和轴向输出。相比径向输出，轴向输出结构具有角向对称、工作模式稳定、结构紧凑的优点。衍射输出结构是一种常见的轴向输出结构。衍射输出结构可以直接从谐振腔提取高频场能量，采用不同数目的提取腔可以输出不同模式的微波7。当阳极形成 模高频场能量时，相邻谐振腔的电场角向方向相反，因此将衍射输出结构的提取腔数目设置为 4 个，衍射输出结构内的电场分布会逐渐由 模变为 TE11模，衍射输出相对论磁控管的结构示意图如图 3 所示。阳极块以倾斜角=17渐变扩张到输出波导，如图 4（a）所示；4 个对称分布的谐振腔以倾斜角=90扩张到输0.500.450.400.350.300.25202224262830B/TRa/mmBuneman-Hartreex:21.095y:0.454 096x:23.595y:0.349 541Fig.1Relationshipbetweenradiusofanodeandmagneticfield图1磁场随阳极半径的变化关系402002040500500100200300y/mmy/mmx/mmz/mm(a)cross section(b)axial sectionRvRaRcresonantcavityanode block50050z1z2z3z4diffraction structureRaRcRoanodecathodeFig.2Schematicoftheaxialextractionrelativisticmagnetron图2轴向输出相对论磁控管结构示意图强激光与粒子束093001-2出波导，如图 4（b）所示；其余 2 个对称分布的谐振腔先延伸一段最后以倾斜角 渐变到输出端口，并且输出波导的半径 Ro为 77.5mm，如图 4（c）所示；衍射输出结构如图 4（d）所示。在圆波导中，相同频率下 TE11模的截止半径是最小的。在频率为 2.37GHz 时，TE11截止半径仅为 3.71cm。同频率下，相比高阶模输出，TE11模输出时波导半径可以明显减小。在使用相同倾斜角 的情况下，磁控管的轴向长度也可以相应地减小。当磁控管工作时，阳极的横截面形成了 模的电场分布，如图 5（a）所示；衍射输出结构可以提取阳极腔内的 模高频场能量并转换为 TE11模式的微波，电场分布逐渐由阳极腔内的 模变为 TE11模，如图 5（b）、图 5（c）所示；最后可以在输出波导形成 TE11模式的电场分布，如图 5（d）所示。2模拟及优化设计利用模拟软件对图 2 建立的磁控管模型进行模拟与分析。在模拟计算中，器件工作电压 352kV，磁场 0.34T。仿真结果如图 6（a）所示，器件在 4ns 开始起振，并且在 10ns 达到饱和，仿真的电压波形上升前沿为 3ns，输出微波频率 2.37GHz，输出微波功率 567MW，功率转换效率 62.5%。从图 6（b）可以看出，只在中心频率 2.37GHz 上出现了一个明显的峰值，说明微波频谱单一性较好。表 1 对比了不同文献22-24的 S 波段衍射输出相对论磁控管，与表 1 中的衍射输出相对论磁控管相比，本文的相对论磁控管的波导半径仅为 77.5mm，磁场为 0.34T，结构更加紧凑，同时具有较高的功率转换效率。由图 7（a）可以看出，通过阴极端帽的设计，电子主要约束在束波互作用区附近，有效减少电子漂移出束波互作用区，减小轴向泄露电流；图 7（b）为阳极横截面上的电子轮辐分布，在 18ns 时 6 腔磁控管的互作用空间里已经完全形成了 3 个角向电子轮辐，这表明该磁控管腔内为 模高频场能量。图 7（c）为在 18ns 时刻输出口的电场分布图，经过衍射结构的模式转换后在输出端口为 TE11模式输出。图 8 展示了衍射输出相对论磁控管工作参数与磁场的关系，在电压为 352kV 条件下，电流随着磁场的增加而(a)whole view of the relativistic magnetron(b)cross section in yz planeFig.3Configurationsofrelativisticmagnetronwithdiffractionoutput图3衍射输出相对论磁控管结构图RvRoRvRoRo(a)axial section in 0(b)axial section in 30(c)axial section in 90(d)cross section 03090RvRaFig.4Axialsectionindifferentazimuthalpositions图4不同角度的轴向图张伟，等：S 波段低磁场紧凑型相对论磁控管设计093001-3减小，磁场为 0.34T 时效率最高为 62.5%，这是因为磁场的增加会减小电子的运动速度，围绕布里渊层流的空间电荷限制力增强，从而导致电流的减小。图 9 展示了相对论磁控管输出功率和效率与输出波导半径的关系。优化了输出波导半径，在半径为 77.5mm条件下，输出功率 567MW，器件效率 62.5%。图 10 展示了相对论磁控管输出功率和效率与倾斜角 的关系。在倾表1S 波段衍射输出相对论磁控管的比较Table1ComparisonofS-bandrelativisticmagnetronwithdiffractionoutputvoltage/kVmagneticfield/Tradiusofwaveguide/mmoutputpower/MWefficiency/%Ref223530.45105.051240.4Ref234400.43105.0100044.0Ref243550.36105.0100048.0thiswork3520.3477.556762.5(a)cross section at z1=8.0 cm(b)cross section at z2=12.0 cm(c)cross section at z3=18.5 cm4004050050y/mmx/mm5005010050010050y/mmx/mm(d)cross section at z4=33.0 cm5005050100010050y/mmx/mm5005010050010050y/mmx/mmFig.5Spatialdistributionofelectricfieldatdifferentpositions图5不同位置的电场分布10800400050010203040current/kAcurrenttime/ns1000500010005000907 MW567 MW352 kV2.6 kA(a)working current,working voltage,input power,output power(b)spectrumvoltage/kVvoltageinput poweroutput powermicrowave power/MWoutput power/MW1510500246810intensity/a.u.frequency/GHzFig.6Simulationwaveforms图6器件工作波形强激光与粒子束093001-4斜角 为 17的条件下，相对论磁控管的输出功率和功率转换效率都会达到峰值，此时输出功率 567MW，效率为 62.5%，这是因为波导半径和倾斜角 会影响衍射输出结构的模式转换和传输性能25，在某些波导半径和倾斜角下衍射结构会发生微波反射，导致腔内出现模式竞争，输出功率和功率转换效率也随之降低。3结论为了高功率微波器件的低磁场和小型化需求，本文设计了工作在 S 波段的低磁场 TE11输出模式的紧凑型相对论磁控管，并对器件进行设计及模拟优化。与传统衍射输出相对论磁控管相比，在磁场为 0.34T、电压为 352kV 条件下，模拟仿真结果显示输出功率为 567MW，功率转换效率为 62.5%，工作频率为 2.37GHz 时输出波导半径仅为 77.5mm，器件结构更为紧凑。该结果验证了衍射输出相对论磁控管低磁场和小型化的可行性，并为进一步研究高效率、低磁场和小型化的相对论磁控管提供了一定的参考价值。参考文献：BenfordJ.HistoryandfutureoftherelativisticmagnetronC/2010InternationalConferenceontheOriginsandEvolutionoftheCavityMagnetron.2010:40-45.1AndreevD,KuskovA,SchamilogluE.ReviewoftherelativisticmagnetronJ.MatterandRadiationatExtremes,2019,4:067201.2张兆镗.磁控管的历史、现状与未来发展兼论微波功率应用的前景J.真空电子技术,2016（2）：38-41,46.（ZhangZhaotang.Thehistory,presentstatusandfuturedevelopmentofmagnetrons-foregroundofmicrowavepowerapplicationsJ.VacuumElectronics,2016（2）:38-41,46）3ChengRenjie,LiTianming,QinFen,etal.AnefficientallcavityaxialextractionrelativisticmagnetronwithvirtualcathodeJ.IEEETransactionsonElectronDevices,2020,67（5）:2165-2169.4XuSha,LeiLurong,QinFen,etal.Compact,highpowerandhighefficiencyrelativisticmagnetronwithL-bandallcavityaxialextractionJ.PhysicsofPlasmas,2018,25:083301.5505050050050505005010010005000100200z/mmx/mmx/mm30050y/mmy/mmy/mm(a)axial section(b)cross section at z1=8.0 cm(c)cross section at z2=33.0 cmFig.7Spatialdistributionofelectronsandelectricfield图7电子和电场的空间分布0.240.280.320.360.40100300500700900output poweroutput power/MWefficiencyefficiency/%currentcurrent/kAmagnetic field/T1022344658702.22.52.83.13.4Fig.8Relationshipbetweenoutputparametersandmagneticfield图8输出参数随磁场变化关系657585952505007501000output powerefficiencyradius of output waveguide/mmoutput power/MW10305070efficiency/%Fig.9Relationshipbetweenoutputparametersandradiusofoutputwaveguide图9输出参数随输出波导半径变化关系121416182022250350450550650750output power efficiency/()output power/MW203040506070efficiency/%Fig.10Relationshipbetweenoutputparametersandtiltangle图10输出参数随倾斜角 变化关系张伟，等：S 波段低磁场紧凑型相对论磁控管设计093001-5FangXianghe,QinFen,ZhangYong,etal.S-bandGW-levelrelativisticmagnetronoperatingatrelativelylowappliedvoltageJ.IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2022,70（2）:1111-1118.6孙晓亮,张军,李伟.X波段衍射输出相对论磁控管的粒子模拟研究J.微波学报,2014,30（s1）：422-425.（SunXiaoliang,ZhangJun,LiWei.SimulationstudyofanX-bandrelativisticmagnetronwithdiffractionoutputJ.JournalofMicrowaves,2014,30（s1）:422-425）7王冬,秦奋,杨郁林,等.L波段全腔提取轴向输出相对论磁控管设计J.强激光与粒子束,2016,28：033013.（WangDong,QinFen,YangYulin,etal.DesignofLbandallcavityaxialextractionrelativisticmagnetronJ.HighPowerLaserandParticleBeams,2016,28:033013）8FuksMI,KovalevNF,AndreevAD,etal.ModeconversioninamagnetronwithaxialextractionofradiationJ.IEEETransactionsonPlasmaScience,2006,34（3）:620-626.9LiWei,LiuYonggui.AnefficientmodeconversionconfigurationinrelativisticmagnetronwithaxialdiffractionoutputJ.JournalofAppliedPhysics,2009,106:053303.10DaimonM,JiangW.ModifiedconfigurationofrelativisticmagnetronwithdiffractionoutputforefficiencyimprovementJ.AppliedPhysicsLetters,2007,91:191503.11FuksMI,SchamilogluE.70%efficientrelativisticmagnetronwithaxialextractionofradiationthroughahornantennaJ.IEEETransactionsonPlasmaScience,2010,38（6）:1302-1312.12LeiLurong,QinFen,XuSha,etal.Preliminaryexperimentalinvestigationofacompacthigh-efficiencyrelativisticmagnetronwithlowguidingmagneticfieldJ.IEEETransactionsonPlasmaScience,2019,47（1）:209-213.13秦奋,张勇,鞠炳全,等.L波段相对论磁控管长时间稳定运行实验研究J.强激光与粒子束,2021,33：073002.（QinFen,ZhangYong,JuBingquan,etal.ExperimentalinvestigationofL-bandrelativisticmagnetronatlong-termsteadyoperationJ.HighPowerLaserandParticleBeams,2021,33:073002）14FuksM,SchamilogluE.RapidstartofoscillationsinamagnetronwithatransparentcathodeJ.PhysicalReviewLetters,2005,95:205101.15PrasadS.Faststartofoscillationsinashort-pulserelativisticmagnetrondrivenbyatransparentcathodeD.NewMexico:TheUniversityofNewMexico,2010.16苏黎,李天明,李家胤.相对论磁控管透明阴极的仿真与实验J.强激光与粒子束,2011,23：3039-3042.（SuLi,LiTianming,LiJiayin.SimulationandexperimentontransparentcathodeforrelativisticmagnetronJ.HighPowerLaserandParticleBeams,2011,23:3039-3042）17周豪,蔡伟鸿,王姣银,等.相对论磁控管透明阴极技术作用机理研究J.强激光与粒子束,2021,33：073007.（ZhouHao,CaiWeihong,WangJiaoyin,etal.ResearchonmechanismoftransparentcathodeinrelativisticmagnetronJ.HighPowerLaserandParticleBeams,2021,33:073007）18SavelievYM,SparkSN,KerrBA,etal.EffectofcathodeendcapsandacathodeemissivesurfaceonrelativisticmagnetronoperationJ.IEEETransactionsonPlasmaScience,2000,28（3）:478-484.19GilgenbachRM,LopezMR,JonesMC,etal.Effectsofcathodeendcapsonlong-pulse,relativisticmagnetronoperationC/TwentySeventhInternationalConferenceonInfraredandMillimeterWaves.2002:137-138.20刘则阳,李思锐,樊玉伟,等.阴极帽结构L波段相对论磁控管的效率提升J.强激光与粒子束,2021,33：073006.（LiuZeyang,LiSirui,FanYuwei,etal.EfficiencyenhancementofL-bandrelativisticmagnetronwithendcapsJ.HighPowerLaserandParticleBeams,2021,33:073006）21LeachC,PrasadS,FuksMI,etal.Experimentaldemonstrationofahigh-efficiencyrelativisticmagnetronwithdiffractionoutputwithsphericalcathodeendcapJ.IEEETransactionsonPlasmaScience,2017,45（2）:282-288.22LiuM,SchamilogluE,FuksMI,etal.A“crab-like”A6relativisticmagnetronwithdiffractionoutputdrivenbyatransparentcathodeJ.PhysicsofPlasmas,2019,26:013301.23LiYong,LiuMeiqin,LiuChunliang,etal.Modecontrolbyrearrangementoftheslowwavestructureina12-cavityrelativisticmagnetronwithdiffractionoutputusingsingle-steppedcavitiesdrivenbyatransparentcathodeJ.AIPAdvances,2021,11:035306.24李伟,刘永贵.磁控管衍射输出结构的模特性J.强激光与粒子束,2011,23：735-738.（Li 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