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KU波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计

阳福香 党方超 贺军涛 巨金川 张晓萍

阳福香, 党方超, 贺军涛, 等. KU波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200227
引用本文: 阳福香, 党方超, 贺军涛, 等. KU波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200227
Yang Fuxiang, Dang Fangchao, He Juntao, et al. Simulation and design of novel Ku-band radial-line relativistic klystron amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200227
Citation: Yang Fuxiang, Dang Fangchao, He Juntao, et al. Simulation and design of novel Ku-band radial-line relativistic klystron amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200227

KU波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计

doi: 10.11884/HPLPB202032.200227
基金项目: 国家自然科学基金项目(61901485,61771481)
详细信息
    作者简介:

    阳福香(1995—),女,博士研究生,从事高功率微波技术研究;1205505877@qq.com

    通讯作者:

    党方超(1989—),男,博士,讲师,从事高功率微波技术研究;15111378883@163.com

  • 中图分类号: TN62

Simulation and design of novel Ku-band radial-line relativistic klystron amplifier

  • 摘要: 高频段相对论速调管放大器(RKA)是近年来高功率微波领域的研究热点之一,其发展主要受限于模式竞争、相位抖动和效率偏低等问题。设计了一种径向线RKA—主要由输入腔、两组非均匀双间隙群聚腔和三间隙提取腔等四部分构成。通过比较单双间隙群聚腔与电子束互作用的耦合系数,说明了非均匀双间隙群聚腔具备对电子束较强的调制能力。前端加载TEM模式反射器的非均匀双间隙群聚腔的工作在TM01-π模式,Q值较大,有利于谐振腔之间的能量隔离。采用两组非均匀双间隙群聚腔级联的方式,在注入功率仅10 kW情况下,实现短漂移管长度下电子束深度群聚达110%。粒子模拟结果表明,该器件具有效率高的优点,在电子束电压400 kV,电流5 kA,磁场强度0.4 T条件下,得到功率825 MW,频率14.25 GHz,效率41%的微波输出。
  • 图  1  径向线RKA整管结构示意图

    1-cathod,2-radial-line intense electron beam,3-input cavity, 4,5-radial-line double-gap bunching cavity,6-three-gap extraction cavity,7-magntic field system

    Figure  1.  Schematic of the radial-line RKA

    图  2  径向线单双间隙群聚腔结构示意图

    Figure  2.  Schematic of radial-line single-gap and double-gap bunching cavity

    图  3  单双间隙群聚腔中的耦合系数

    Figure  3.  The coupling coefficient of single-gap and double-gap bunching cavity

    图  4  双间隙群聚腔的频谱:蓝线为均匀,红线为非均匀

    Figure  4.  Spectrum of double-gap uniform and nonuniform bunching cavity:blue line shows uniform,red line shows nonuniform

    图  5  非均匀双间隙群聚腔中TM01-π模和TM01-0模的电子束负载电导

    Figure  5.  Beam-loading conductance ratio Ge/G0 of TM01-π and TM01-0 mode in the double-gap bunching cavity

    图  6  非均匀双间隙群聚腔中TM01-π模和TM01-0模的Q值与电场分布

    Figure  6.  Q factor and electric field distribution of TM01-π and TM01-0 mode in the double-gap nonuniform bunching cavity

    图  7  加入TEM反射器的双间隙群聚腔结构示意图和不同D长度下加入TEM反射器的双间隙群聚腔Q值变化

    Figure  7.  Schematic of double-gap nonuniform bunching cavity with TEM reflector and Q-factor difference of double-gap nonuniform bunching cavity with TEM reflector versus D

    图  8  电子束径向基波电流分布

    Figure  8.  Fundamental harmonic current distributions versus the radial

    图  9  三间隙提取腔结构示意图

    Figure  9.  Schematic of three-gap extraction cavity

    图  10  提取腔间隙中心位置电场强度与电流密度的相位关系

    Figure  10.  Phase relation between electron field and current density in center position of gap extraction cavity

    图  11  径向线RKA输出功率及输出微波频谱

    Figure  11.  Output power of radial-line RKA and frequency spectrum of microwave

    图  12  改变注入信号频率对应器件输出功率与相位变化

    Figure  12.  Output power and phase difference versus frequency of input signal

    图  13  改变电子束参数对应器件输出功率与相位变化

    Figure  13.  Output power and phase difference versus parameters of electron beam

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-08-01
  • 修回日期:  2020-09-08
  • 网络出版日期:  2020-09-13

KU波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计

doi: 10.11884/HPLPB202032.200227
    基金项目:  国家自然科学基金项目(61901485,61771481)
    作者简介:

    阳福香(1995—),女,博士研究生,从事高功率微波技术研究;1205505877@qq.com

    通讯作者: 党方超(1989—),男,博士,讲师,从事高功率微波技术研究;15111378883@163.com
  • 中图分类号: TN62

摘要: 高频段相对论速调管放大器(RKA)是近年来高功率微波领域的研究热点之一,其发展主要受限于模式竞争、相位抖动和效率偏低等问题。设计了一种径向线RKA—主要由输入腔、两组非均匀双间隙群聚腔和三间隙提取腔等四部分构成。通过比较单双间隙群聚腔与电子束互作用的耦合系数,说明了非均匀双间隙群聚腔具备对电子束较强的调制能力。前端加载TEM模式反射器的非均匀双间隙群聚腔的工作在TM01-π模式,Q值较大,有利于谐振腔之间的能量隔离。采用两组非均匀双间隙群聚腔级联的方式,在注入功率仅10 kW情况下,实现短漂移管长度下电子束深度群聚达110%。粒子模拟结果表明,该器件具有效率高的优点,在电子束电压400 kV,电流5 kA,磁场强度0.4 T条件下,得到功率825 MW,频率14.25 GHz,效率41%的微波输出。

English Abstract

阳福香, 党方超, 贺军涛, 等. KU波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200227
引用本文: 阳福香, 党方超, 贺军涛, 等. KU波段径向线相对论速调管放大器的仿真与设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200227
Yang Fuxiang, Dang Fangchao, He Juntao, et al. Simulation and design of novel Ku-band radial-line relativistic klystron amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200227
Citation: Yang Fuxiang, Dang Fangchao, He Juntao, et al. Simulation and design of novel Ku-band radial-line relativistic klystron amplifier[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200227
  • 近年来,在等离子体热核聚变、高能粒子加速器和高功率雷达等众多领域的需求牵引下,高功率微波(HPM)技术水平不断提高[1-3],相对论RKA作为未来HPM技术发展的重要方向之一也得到了较大的发展。目前,L、S和X波段RKA相继达到GW量级和百纳秒输出水平,同时发展了空心RKA、大半径同轴RKA和多注RKA等一系列新型RKA[4-13]。然而,随着RKA频带进一步拓展到Ku波段,器件尺寸急剧减小,导致高频结构功率容量明显降低,空间电荷效应明显增强,器件可能面临模式竞争、相位抖动和效率偏低等问题,在此背景下,有必要寻求新的结构来解决上述问题[14-16]。径向线RKA具有空间电荷效应弱、功率容量高、电子束收集面积大等特点,在提高器件输出功率和加长微波脉宽具有潜在的优势。本文通过对径向线单双间隙群聚腔与电子束相互作用、两组非均匀双间隙群聚腔间级联和三间隙提取腔中束波同步等物理问题进行分析,在粒子模拟上实现了Ku波段径向线RKA高效率微波输出。

    • 径向线RKA整管的结构示意图如图1所示,主要由阴极、输入腔、两组双间隙群聚腔、三间隙提取腔和磁场系统组成。采用两组双间隙群聚腔级联的方式,能够在较短的漂移距离下增加电子束束流调制深度,同时为了提高输出效率和降低间隙场强击穿风险,提取腔采用三间隙结构。具体的物理过程可描述如下:径向强流电子束由阴极产生,随后进入输入腔中受到种子射频信号的初步调制,之后初步调制后的电子束在两组级联的双间隙群聚腔中进行深度群聚,最后深度群聚的电子束在三间隙提取腔中减速失去能量,从而产生微波。

      图  1  径向线RKA整管结构示意图

      Figure 1.  Schematic of the radial-line RKA

    • 径向线单双间隙群聚腔结构如图2所示,图中H1L1分别为群聚腔间隙的长度和漂移管宽度,L2L3分别为第一间隙与第二间隙的宽度。

      图  2  径向线单双间隙群聚腔结构示意图

      Figure 2.  Schematic of radial-line single-gap and double-gap bunching cavity

      耦合系数$ M $通常表示为电子束实际感受到的电压与间隙电压之比,能够有效描述电子束在间隙中调制的强弱,参考径向线谐振腔中的电子束耦合系数的公式[13]

      $$ M=\dfrac{{\displaystyle\int }_{-\displaystyle\infty }^{+\infty }{E}_{r}{\mathrm{e}}^{-\mathrm{j}{\beta }_{\mathrm{e}}r}\mathrm{d}r}{\left|{\displaystyle\int }_{-\infty }^{+\displaystyle\infty }{E}_{r}\mathrm{d}r\right|} $$ (1)

      式中:$ {E}_{r} $为径向电场;$ {\beta }_{\mathrm{e}} $为径向传播长度。

      对径向线单双间隙群聚腔的耦合系数进行计算,如图3所示,可以看出电子束电压为400 kV,双间隙群聚腔的耦合系数约0.5,单间隙群聚腔的耦合系数约0.34,说明电子束在双间隙群聚腔中实际感受到的电压大于其在单间隙群聚腔实际感受到的电压,双间隙群聚腔对电子束的调制作用力更强。图2中双间隙群聚腔采用的是非均匀结构,主要是由于均匀双间隙群聚腔中两个模式之间频点差很小,如图4蓝线所示,两个模式的频点差约500 MHz,且两个模式频谱分析的幅值基本相当,很容易出现模式竞争,为此我们采用非均匀双间隙群聚腔结构,频点相差约1450 MHz,频点为12.78 GHz模式频谱分析的幅值明显小于频点为14.23 GHz模式的幅值,后者更容易被激励。

      图  3  单双间隙群聚腔中的耦合系数

      Figure 3.  The coupling coefficient of single-gap and double-gap bunching cavity

      图  4  双间隙群聚腔的频谱:蓝线为均匀,红线为非均匀

      Figure 4.  Spectrum of double-gap uniform and nonuniform bunching cavity:blue line shows uniform,red line shows nonuniform

    • 电子束与径向线谐振腔相互作用的电子束负载电导是衡量电子束与高频电场能量交换的一个重要的参数,可表示为

      $$ \frac{{G}_{\mathrm{e}}}{{G}_{0}}=-\frac{1}{4}{\beta }_{\mathrm{e}}\frac{\partial {M}^{2}}{\partial {\beta }_{\mathrm{e}}} $$ (2)

      图5所示,我们比较了双间隙群聚腔中TM01-π模和TM01-0模的电子束负载电导,可以看出,当电子束电压大于210 kV,两个模式的电子负载电导都为正值,两个模式都不能起振,从而降低了产生自激振荡的风险,满足群聚腔的设计原则。

      图  5  非均匀双间隙群聚腔中TM01-π模和TM01-0模的电子束负载电导

      Figure 5.  Beam-loading conductance ratio Ge/G0 of TM01-π and TM01-0 mode in the double-gap bunching cavity

      双间隙群聚腔选择TM01-π模作为工作模式,如图6所示,该模式相对于TM01-0模来说,Q值更高,有利用提高群聚腔对电子束的调制效果。双间隙群聚腔采用非对称结构,TM01-π模的电场能量主要集中于第一间隙,主要依靠第一间隙对电子束的调制作用,第二间隙在增大群聚腔耦合系数的同时,可以起到微调群聚腔谐振频率与Q值的作用。

      图  6  非均匀双间隙群聚腔中TM01-π模和TM01-0模的Q值与电场分布

      Figure 6.  Q factor and electric field distribution of TM01-π and TM01-0 mode in the double-gap nonuniform bunching cavity

    • 对于径向线RKA来说,单组群聚腔对电子束的调制能力有限,为了能在低注入功率和较短漂移管长度实现电子束的深度群聚,一般采用两组群聚腔级联的方式,因此需要解决两组群聚腔间能量耦合的问题,分别在两组群聚腔前加入TEM模式反射器,该反射器对TEM模式在14.25 GHz频点下的反射效率达99%以上。同时TEM模式反射器能增加群聚腔的Q值,进而抑制群聚腔间的能量耦合,减少自激振荡的风险,如图7所示,当反射器离群聚腔的长度D为10 mm时(约为二分之一个波长),群聚腔的Q值最大,约10 280。

      图  7  加入TEM反射器的双间隙群聚腔结构示意图和不同D长度下加入TEM反射器的双间隙群聚腔Q值变化

      Figure 7.  Schematic of double-gap nonuniform bunching cavity with TEM reflector and Q-factor difference of double-gap nonuniform bunching cavity with TEM reflector versus D

      图8给出了电子束基波电流分布,可以看出在输入腔之前,电子束尚未被调制,经过输入腔之后,电子束受到输入功率的作用,基波电流开始增长,到达群聚腔1之前,基波电流为55 A,调制深度为1.1%;经过群聚腔1的束流调制,到达群聚腔2之前,基波电流增加到750 A,调制深度为15%;经过调制的电子束在群聚腔2中激励较强的射频场,射频场又反过来作用电子束,基波电流快速增长到5.5 kA,基波调制深度为110%,经过两组群聚腔级联的调制,电子束得到深度群聚。

      图  8  电子束径向基波电流分布

      Figure 8.  Fundamental harmonic current distributions versus the radial

    • 为了降低提取腔中最大表面场强的同时提高功率转换效率,提取腔采用三间隙结构,如图9所示,保持射频场相速度与电子束速度同步($ {v}_{\mathrm{p}}<\approx {v}_{\mathrm{e}} $),当电子束电压为400 kV时,电子束速度$ {v}_{\mathrm{e}} $约为2.41$ \times $108 m/s,根据π模相速度公式$ {v}_{\mathrm{p}}= 2\mathrm{{\text{π}}}fp/\mathrm{{\text{π}}} $,其中$ f $为工作频率,$ p $为提取腔单间隙周期,可得第一间隙的周期为8.0 mm,考虑到电子束在提取腔中失去能量减速,第二间隙周期为7.5 mm。观测到提取腔第1间隙与第2间隙中心位置处电场强度与电流密度的相位关系,如图10所示,电流密度最大的时刻基本处在减速电场强度最强的时刻,满足同步要求,群聚电子束在这种条件下能够获得最大程度的减速,从而转化成微波能量。

      图  9  三间隙提取腔结构示意图

      Figure 9.  Schematic of three-gap extraction cavity

      图  10  提取腔间隙中心位置电场强度与电流密度的相位关系

      Figure 10.  Phase relation between electron field and current density in center position of gap extraction cavity

    • 对径向线RKA的整管进行粒子模拟,如图11所示,在电子束电压400 kV,电流5 kA,磁场强度0.4 T条件下,得到功率800 MW,频率14.25 GHz,效率40%的微波输出,频谱较为纯净。监测单个微波周期的20个时刻,得到器件倒角前最大电场强度约为1 MV/cm,出现在提取腔的第二间隙,倒角后器件最大电场强度应低于1 MV/cm,说明该器件在Ku波段具备输出高功率长脉冲微波的潜力。

      图  11  径向线RKA输出功率及输出微波频谱

      Figure 11.  Output power of radial-line RKA and frequency spectrum of microwave

      对注入信号频率的敏感性也进行分析,如图12所示,当注入信号频率在14.23 GHz到14.27 GHz范围内变化时,器件的输出功率变化较大,器件的工作带宽在20 MHz以内能保证30%以上的效率,同时观测不同注入信号频率下器件的锁相特性,器件的工作带宽在20 MHz以内锁香特性良好,但是由于频率的变化,器件锁相的位置也发生相应的变化。改变电子束电压和电流时,器件输出特性如图12所示,可以看出电压变化50 kV,电流不变情况下,器件的效率都在30%以上,电压越高,器件起振与饱和的时间变慢,低阻抗有利用加快器件起振和饱和过程。电压变化50 kV时,器件锁相特性良好,但是锁相的位置发生了变化,这是由于电压变化,电子束的速度也发生变化,输出微波的相位也相应的变化。

      图  12  改变注入信号频率对应器件输出功率与相位变化

      Figure 12.  Output power and phase difference versus frequency of input signal

      图  13  改变电子束参数对应器件输出功率与相位变化

      Figure 13.  Output power and phase difference versus parameters of electron beam

    • 本文分析了径向线RKA非均匀双间隙群聚腔与电子束互作用的耦合系数与电子电导,说明非均匀双间隙群聚腔对电子束具有较强的调制能力,同时选择Q值较大的TM01-π模为工作模式,有利于谐振腔之间的能量隔离。采用两组群聚腔级联的方式对电子束进行束流调制,实现了电子束的深度群聚。最后设计了三间隙提取腔与电子束同步互作用,从而完成微波能量高效提取。粒子模拟结果表明,在注入功率10 kW,电子束电压400 kV,电流5 kA,磁场0.4 T的条件下,输出微波频率14.25 GHz,功率825 MW,效率41%,频谱纯净,微波的锁相特性良好。

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