220 GHz高功率微波信號源的設計與仿真

張 海，邵洋洲

（華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門,361021）

0 引言

高功率微波器件（HPM）是指峰值功率超過100MW，頻率在1GHz到300GHZ之間，跨越厘米波和毫米波范圍的微波器件。近十年來，在軍事、民用和科學研究領域?qū)Ω吖β?、更高頻率、更高能量微波源的強烈需求推動下，高功率微波已經(jīng)形成了一門新技術(shù)。它既有一些新的應用，又能夠?qū)ΜF(xiàn)實的某些應用提供創(chuàng)新的方法，在定向能武器、雷達、電子高能RF加速、等離子體加熱、激光泵浦、功率束射方面都具有廣泛的應用價值。現(xiàn)有高功率微波器件的性能正在不斷的成熟與完善，新的高功率微波器件還在不斷的產(chǎn)生。

在某些特殊的應用場合（例如：非破壞性波譜分析和長距離物體成像研究），必須要使用高功率、高頻率的微波信號源，而且，當微波與物質(zhì)相互作用時，會激勵起一種非線性效應，研究這種非線性現(xiàn)象也必須要用到高功率、高頻率的微波輻射源。因此，隨著微波科學技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對高功率、高頻率微波信號源的需求大大提高。到目前為止，該類信號僅可以通過等離子體電子學的方法和真空電子學的手段來產(chǎn)生。所以，可以說微型真空電子器件必將在該領域發(fā)揮重要的作用。近年來，已有很多這方面的研究成果。

1 工作原理

高功率微波源的種類很多，本文主要研究其中一種，即返波振蕩器（簡稱返波管）。圖1為返波管的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括：電子槍、慢波系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)和輻射喇叭等。其中，慢波系統(tǒng)是返波管的注-波互作用區(qū)，它的作用是把結(jié)構(gòu)波的相速減小到小于真空中光速，使結(jié)構(gòu)波相速和電子速度能夠滿足Cherenkov同步條件。由于周期性慢波系統(tǒng)的每一個模式或結(jié)構(gòu)波都包含著無窮多個空間諧波，電子束實際上是與其中某一個模式（如TM01模）的負一次空間諧波發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生和放大電磁波。工作時，由電子槍產(chǎn)生的薄的環(huán)形電子束在引導磁場的約束下進入慢波系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)波的負一次空間諧波相互作用。先進入慢波系統(tǒng)的電子束與結(jié)構(gòu)波發(fā)生作用，產(chǎn)生強度較小的微波。輻射的能量沿著與電子束運動方向相反的方向傳播，進一步與隨后進

圖1 返波管結(jié)構(gòu)示意圖

入的電子相互作用，形成正反饋。這樣，微波信號被迅速放大，直至達到非線性飽和。最后，信號在慢波系統(tǒng)的起始端被反射，重新經(jīng)過慢波系統(tǒng)后進入傳輸波導和模式轉(zhuǎn)換器、天線輻射系統(tǒng)。

2 設計與仿真

2.1 粒子模擬的基本原理

粒子模擬方法PIC（Particle-in-Cell）是一種高效、穩(wěn)定、準確的計算機模擬方法。它是建立在當代高性能計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展的基礎之上的。粒子模擬方法的主要思路如下：首先將連續(xù)的空間進行離散化，即形成空間網(wǎng)格；其次，將電磁場量（電場、磁場等）也進行離散，并離散分布在各個節(jié)點上；

最后，再根據(jù)牛頓—洛侖茲力方程將帶電粒子的運動狀態(tài)求出，這就完成了一個循環(huán)。之后，再用同樣的方法計算下一個時間步，求出下一時刻電荷粒子的運動狀態(tài)和空間位置。而這些所求得的物理量需要再進行統(tǒng)計平均之后，才可以得到大量微觀粒子的宏觀運動規(guī)律及相關信息。

在實際計算過程中，一個粒子需要由六個物理量來描述，分別為三個空間坐標和三個速度分量坐標，它們構(gòu)成了表述粒子狀態(tài)的一個完整向量。而當系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對稱性時，可以不考慮粒子及場的角向分布情況，此時粒子的位置和場的各分量都可用二維坐標來描述，但粒子的速度仍需要用三維量描述，這種方法稱為2.5 維粒子模擬方法。粒子模擬的基本流程如圖2所示。

2.2 器件性能的仿真研究

圖3為高功率返波管的物理模型，該模型關于Z軸旋轉(zhuǎn)對稱，由環(huán)形陰極、陽極、準直孔、慢波系統(tǒng)、后漂移段、錐形波導及輸出波導等組成。模型

工作時，在外加電壓作用下，陰極表面爆炸發(fā)射產(chǎn)生環(huán)形電子束。在軸向引導磁場的作用下，電子束沿器件內(nèi)表面?zhèn)鬏?，依次?jīng)過準直孔、慢波系統(tǒng)、后漂移段，最后被錐形波導內(nèi)表面吸收。在束-波互作用區(qū)中，電子束與慢波系統(tǒng)發(fā)生Cherenkov 互作用獲得速度調(diào)制，經(jīng)過一段距離的漂移后，這種速度調(diào)制轉(zhuǎn)化為密度調(diào)制并形成群聚。群聚良好的電子束再次與慢波系統(tǒng)發(fā)生有效的Cherenkov 相互作用，產(chǎn)生高功率微波。

本文研究了電子束電壓和外加磁場對振蕩器輸出特性的影響。圖4a所示為器件性能隨輸入電壓波幅值的變化關系。由圖可見，隨著的升高，工作頻率逐漸降低，這與傳統(tǒng)返波管的頻率調(diào)諧特性剛好相反。這說明，該振蕩器工作在零次諧波段，因為

圖2 粒子模擬流程圖

圖3 220 GHz返波管計算模型

只有在前向波區(qū)域才會具有這樣的頻率調(diào)諧特性。圖4b所示為器件工作特性隨磁場強度的變化關系?？梢钥吹?，隨著磁場的增強，輸出功率明顯升高，當磁場強度大于3.0 T后，輸出功率趨于穩(wěn)定；而振蕩頻率受磁場的影響并不大，基本保持在224 GHz左右。根據(jù)以上分析，我們選擇注入波電壓Um=120 kV、引導磁場強度B=4.0 T。此時，可以獲得約224 GHz、4.8 MW的信號功率輸出。

圖5為在以上結(jié)構(gòu)參數(shù)及電子束參數(shù)下，器件正常工作時的輸出信號波形及其頻譜特性。由圖可見，信號在1.0 ns時開始起振并迅速增長，在2.3 ns時達到飽和，隨后便保持等幅正弦振蕩。其頻譜特性表明，信號振蕩頻率約為224 GHz，且模式唯一。

3 結(jié)論

高功率、高頻率微波信號源是微波技術(shù)領域里一個方興未艾的研究課題，其兆瓦量級的輸出功率可用于軍用雷達和導航系統(tǒng)中。本文通過仿真模擬的方法對返波管進行了物理設計和性能優(yōu)化。在注入波電壓Um=120 kV、引導磁場B=4.0 T條件下，獲得了頻率224 GHz、功率4.8 MW的信號輸出。

圖4 振蕩器輸出特性隨工作參數(shù)的變化情況

圖5 微波信號的時域波形及其頻譜特性

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