太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真分析与设计_王少杰.pdf

磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 69 太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真分析与设计王少杰 1，王林梅 1，程玲莉 1，孟维思 2，王敬东 1，袁涛 1，潘攀 2，王磊 1(1.西南应用磁学研究所，四川绵阳 621000；2.中国电子科技集团公司 第十二研究所，北京 100846)摘要：利用Ansoft Maxwell 2D软件建立太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真模型，对模型结构尺寸进行参数化分析，研究永磁聚焦系统结构尺寸对聚焦系统轴向磁场分布、均匀区磁通密度(B)、磁场不均匀性()、磁场0点到均匀区距离(S)、均匀区长度(H)和系统重量(m)等多个指标的影响。在此基础上优化设计出了新的永磁聚焦系统，确定了永磁聚焦系统结构最佳尺寸。对应聚焦系统中心轴线上轴向磁场S=16 mm，H=30 mm，B=0.94 T，=1.7%，m=10 kg。关键词：太赫兹；行波管；永磁聚焦系统；轴向磁场分布中图分类号：TN146+.2;TM144 文献标识码：A 文章编号：1001-3830(2023)02-0069-04DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.02.012著录格式：王少杰,王林梅,程玲莉,等.太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真分析与设计J.磁性材料及器件,2023,54(2):69-72./WANG Shao-jie,WANG Lin-mei,CHENG Ling-li,et al.Simulation analysis and design on permanent magnetic focusing system of terahertz travelling wave tube J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(2):69-72.Simulation analysis and design on permanent magnetic focusing system of terahertz travelling wave tubeWANG Shao-jie1,WANG Lin-mei1,CHENG Ling-li1,MENG Wei-si2,WANG Jing-dong1,YUAN Tao1,PAN Pan2,WANG Lei11.Southwest Institute of Applied Magnetics,Mianyang 621000,China;2.Twelfth Research Institute,China Electronics Technology Corportation,Beijing 100846,ChinaAbstract:A simulation model of the permanent magnet focusing system for terahertz traveling wave tube was established using Ansoft Maxwell 2D software,and the structure size of the model was analyzed by parameterization.The axial magnetic field distribution,the magnetic flux density(B)of uniform region,field homogeneity(),distance(S)form magnetic field zero point to uniform zone,uniform zone length(H),and system weight(m)were analyzed as a function of structure sizes of the focusing system.On this basis,a focusing system of optimal size was designed,which featuressystem specification parameters of S=16 mm，H=30 mm，B=0.94 T，=1.7%，m=10 kg.Key words:terahertz;traveling wave tube;permanent magnet focusing system;axial magnetic field distribution1 引言信息技术的快速发展，对信息的传输提出了更高的要求，要提高通信系统信息传输量，就需要发射机有更高的带宽和功率1，于是更高频率的频谱资源太赫兹波受到广泛关注。作为极其重要的电真空器件，太赫兹行波管应运而生2。太赫兹波通常指频率在0.1 THz10 THz(波长在3 mm30 m)范围内的电磁辐射。真空电子学的太赫兹辐射源最大优势在于功率高，行波管作为其中的一个经典门类，兼具宽频带，高增益、器件体积较小质量较轻及成本相对较低等特点3-4。由于目前通信雷达、精确制导、电子对抗以及医学成像、收稿日期：2021-03-31 修回日期：2022-06-16基金项目：装备预先研制项目(31512010104)通讯作者：王少杰 E-mail:磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 70 目标探测、宇宙射线研究等领域对大功率、紧凑型、低成本、宽带太赫兹源的迫切需求5-8，针对太赫兹行波管的研究引起了广泛关注。太赫兹行波管作为太赫兹频率源中的信号放大器对太赫兹雷达、通信等应用至关重要，可实际研制工作却遇到了很多困难和挑战9-10。其中，工作频率进入太赫兹后，行波管电子光学系统具有高压缩比、细注腰、长射程等特点，对聚焦系统的磁场提出更高要求。由于其高频区尺寸太小，对电子束的聚焦提出了新的挑战1。王林梅和沈悦等11-12对传统周期永磁聚焦磁场进行了深入研究，经仿真计算，传统周期永磁聚焦系统聚焦磁场磁通密度受到限制13-14，很难满足特大功率雷达系统和电子对抗需求。张芳等15针对0.22 THz微电真空折叠波导行波管，采用螺线管线圈和周期永磁两种聚焦系统结构。Tucek等16-17针对0.85 THz和1.03 THz行波管聚焦系统提出了一种新的磁聚焦结构，其均匀区磁感应强度约0.85 T，均匀性(5.9%)，均匀区长度较短约为(22 mm)。本文利用Ansoft Maxwell 2D软件设计研究太赫兹行波管磁聚焦系统。综合考虑了电子束压缩区特定磁场分布(磁场0点到均匀区距离)、给定区域轴向均匀磁场分布(均匀区磁场强度、磁场均匀性、均匀区长度)和小型化等多个指标，建立新结构聚焦系统结构模型，对模型结构尺寸进行参数化设计，以满足应用需求。2 新型永磁聚焦系统结构利用Ansoft Maxwell 2D软件建立如图1所示的永磁聚焦系统结构模型。聚焦系统由永磁体和磁轭组成(图1a)，永磁体选用本所XGS223/199/350牌号钐钴磁体，磁性能参数为剩磁 Br=1.07 T，矫顽力HcB=10000 Oe，内禀矫顽力 HcJ1990 kA/m，最大磁能积(BH)max=22316 kJ/m3。磁轭材料参数设置为材料库中的Steel1010，其性能与纯铁相近。观测正中心轴线(120 mm和30 mm)上轴向磁场分布。根据前期的相关优化探索结果，对图1b中的尺寸R1、R2、R3、R4、H1、H2、H3、H4、H5等进行参数设置，参数设置如表1所示。3 仿真结果与分析3.1 结构尺寸对中心轴向磁场分布的影响考虑应用指标与轻量化结合，对所有计算结果进行筛选得到最优结果。其他尺寸参数取最优保持不变，研究单个尺寸参数变化对磁系统相关参数的影响，总结其变化规律，为实现对电子束压缩区特定磁场分布和给定区域轴向均匀磁场的快速优化设计提供依据。图2为磁体尺寸参数R2、R3、R4、H2、H3、H4、H5对均匀区磁通密度(B)、磁场不均匀性()、磁场0点到均匀区距离(S)、均匀区长度(H)和重量(m)等多个指标的影响。由图2a可知，随R2增大，B和S减小，和H增大，m略有减小(在10.2510.5 kg之间)。R2的变化显著影响永磁体总体积的变化，因此其变化对B的影响较大，为永磁聚焦系统敏感因素，在后续的生产中，应注意公差要求。由图2b可知，随R3增大，B和m减小(m在1010.6 kg之间)，和H先增大后减小，S则先减小后增大。、S和H变化幅度均较小。由图2c可知，随R4增大，B和m增大(m，增幅较大，约3.5 kg)，、H略有下降，S则略有上升。由图2d可知，随H2增大，B减小，m略有减小，、H先增大后减小，S则先减小后增大。由图2e可知，随H3增大，B增大，m略增，先增大后减小，H先增后持平，S则先减小后增大。由图2f可知。随H4增大，B略有增大，其他参数与图2e的情况接近。由图2g可知，随H5增大，各参数变化不大。综合判断，R2、H2为永磁聚焦系统敏感因素，R4为永磁聚焦系统较敏感因素，R3、H3、H4、H5为图1 永磁聚焦系统的(a)仿真模型和(b)尺寸参数表1 磁体尺寸参数设置表尺寸参数H1H2H3H4H5设置值810 mm(1.52.4)H1(3.54.1)H1(45)H1(66.5)H1尺寸参数R1R2R3R4设置值810 mm(23)R1(3.54.5)R1(67)R1王少杰等：太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真分析与设计 71 永磁聚焦系统不敏感因素。3.2 最优结果分析根据实际应用指标和轻量化要求，对所有计算结果进行筛选得到最优结果。图3为最优解永磁聚焦系统轴向磁场分布(正中120 mm)、均匀区(正中30 mm)磁场分布，图4为最优解用磁聚焦系统纵截面云图。由图3a可知，聚焦系统轴向磁场0点到均匀区距离约为16 mm，磁场均匀区宽度约为30 mm；由图3b可知，均匀区磁通密度约为0.94 T，通过计算得磁场均匀性为1.7%。由图4颜色深度可以看出极靴不存在红色，未达到饱和。3.3 中心磁场分布对电子束聚焦约束的影响根据仿真获得的最优太赫兹永磁聚焦系统结构进行了电子束流通仿真试验。仿真结果如图5所示。对比未加磁约束的电子轨迹(图5a)，未加磁约束时，电子束处于发散状态，加了永磁聚焦系统的电子轨图2 磁系统参数随磁体尺寸的变化：(a)R2,(b)R3,(c)R4,(d)H2,(e)H3,(f)H4,(g)H5磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 72 迹有明显的聚焦效果，满足应用要求。4 结论利用Ansoft Maxwell 2D软件建立了太赫兹行波管永磁聚焦系统仿真模型，对模型结构尺寸进行参数化分析。综合应用指标及轻量化，对所有计算结果进行筛选得到最优结果。对应聚焦系统中心轴线上轴向磁通密度B=0.93755 T，磁场不均匀度为=1.7%，磁场0点到均匀区距离S=16 mm，均匀区长度H=30 mm和重量m=10 kg。通过电子束流通仿真试验，加了磁约束的电子轨迹有明显的聚焦效果，设计的太赫兹行波管永磁聚焦系统满足应用要求。参考文献：1廖复疆,孙振鹏,闫铁昌.真空电子技术M.北京:国防工业出版社,2008.2黄银虎,雷文强,胡鹏,等.一种太赫兹行波管周期永磁系统磁环装配夹具P.CN109732514A,2019-05-10.3吉尔默A S(吴常津译).行波管原理M.北京:中国电子科技集团公司第十二研究所,1994.4王文祥.真空电子器件M.北京:国防工业出版社,2012.5吴福伟,李元吉,刘振华,等.双通道太赫兹成像雷达研究J.现代雷达,2018,40(6):10-14.6雷茂,郭锋,秦明伟.基于改进POCS算法的太赫兹图像超分辨率重建J.传感器与微系统,2022,41(3):122-125.7周人,安健飞,刘杰,等.太赫兹频段下地杂波背景中目标检测识别的实验研究J.现代雷达,2020,42(5):24-29.8胡广尧,文天龙,张怀武.硅基超材料太赫兹波电光调制器J.压电与声光,2020,42(3):299-302.9胡银富,冯进军.用于雷达的新型真空电子器件J.雷达学报,2016,5(4):350-360.10 张章.太赫兹行波管的研究进展J.激光与红外,2012,42,(3):250-257.11 王林梅,甘邠,袁涛,等.行波管周期永磁聚焦系统结构优化设计J.磁性材料及器件,2012,43(5):35-39.12 沈悦,吴天骄,程玲莉,等.空间行波管对周期永磁聚焦系统的要求J.磁性材料及器件,2017,48(3):55-57.13 李瑶,赵士录,邬显平,等.行波管长周期永磁聚焦系统的研究J.真空电子技术,2008,(5):8-10.14 梁培龙,戴民.太赫兹科学技术的综述J.自动化技术与应用,2015,34(6):1-8+15.15 张芳,董志伟.0.22 THz微电真空折叠波导行波管的聚焦磁场研究J.太赫兹科学与电子信息学报,2013,11(4):522-526.16 Tucek J C,Basten M A,gallagher D A,et al 0.850 THz vacuum electronic power amplifier A.15th IEEE International Vacuum Electronics Conference C.2014,153-154.17 Tucek J C,Basten M A,Gallagher D A,et alOperation of a compact 1.03 THz power amplifier A.IEEE Internationals Vacuum Electronics Conference C.USA,2016.作者简介：王少杰(1990)，男，陕西宝鸡人，工程师，主要从事永磁材料及器件设计研发。图3 永磁聚焦系统磁场分布：(a)轴向磁场分布，(b)均匀区磁场分布图4 纵截面磁场分布云图5 电子枪电子轨迹:(a)无磁约束，(b)有磁约束