1 角向非均匀的双频MILO
1.1 角向分区比例1∶1
双频MILO的结构图如图1所示,其谐振腔深度设置了角向分区(分区比例为1∶1,分区边界是0°和180°),通常每一个角向分区分别对应一个谐振频率,每一个分区单独工作同时产生双频率的高功率微波。
取ro1=140 mm,ro2=129 mm,扼流片半径76 mm,中间叶片半径ra=86 mm,提取叶片半径为96 mm。通过3维粒子模拟[1],在电压为530 kV、电流为45.5 kA的条件下,得到了稳定的双频微波输出,其微波频率分别为1.28 GHz和1.50 GHz,周期平均功率约为2.65 GW,功率效率约为11%,两个频率的频谱幅度相差约0.4 dB。
按照图1所示的角度顺序进行了角向分布特性的监测。图2(a)表示了在谐振腔中的频率成分随角向的变化,图2(b)则表示了在输出同轴段中的频率成分随角向的变化。可以看出,两个频率(f=1.28 GHz和f=1.50 GHz)在谐振腔中和输出同轴段中的分布特性基本一致,即在90°位置出现频率1(f=1.28 GHz)的极大值,在270°出现频率2(f=1.50 GHz)的极大值,在0°和180°的分界边界上,两个频率的成分基本相等。这进一步说明,两个频率在谐振腔中已经产生,并且分区工作。
同时监测热腔中电场的分布,在t=37.6 ns时的电场分布如图3所示。图3(a)表示谐振腔中的横截面上的径向电场分布,图3(b)表示输出同轴段的横截面上的径向电场分布。可以看出,此时刻合成场的微波模式类似于常规单频MILO的模式。
图4(a)表示t=37.6 ns时纵截面上的轴向电场的分布,可以看出,在90°和270°纵截面上的电场分布几乎一致,该结果与图3(a)吻合;轴向电场在第3腔中达到最大,并且轴向电场沿(z)轴分布类似于π模场分布。此时刻正好对应着输出双频微波信号稳定地形成拍频后的微波信号最大时刻。
然而,经过2.2 ns后,即t=39.8 ns时,纵截面上的轴向电场的分布(如图4(b)所示)与t=37.6 ns时的分布有很大的差别。轴向电场在90°纵截面上的分布与270°纵截面上的分布相位正好反向,此时,对于总的电场来说正好为0,这与输出微波产生拍频现象是吻合的,根据时间差(4.5 ns),其对应的频率约为220 MHz,正好是两个频率的差频频率。而此时刻正好对应着输出双频微波信号稳定地形成拍频后的微波信号最小时刻。
1.2 角向分区比例1∶2
当分区比例为1∶2时,分区边界是0°和120°,取ro1=140 mm,弧长为120°,ro2=129 mm,弧长为240°,扼流片半径76 mm,中间叶片半径ra=86 mm,提取叶片半径为96 mm。模拟结果:在电压为530 kV,电流为45·5 kA的条件下,得到了稳定的双频微波输出,其微波频率分别为1.34 GHz和1.50 GHz,周期平均功率约为2.60 GW,功率效率约为10.8%,频率1(1.34 GHz)的频谱幅度比频率2(1.50 GHz)的频谱幅度小2.2 dB左右。输出微波功率及其功率谱如图5所示。
图6(a)表示在谐振腔中的频率成分随角向的变化,图6(b)则表示了在输出同轴段中的频率成分随角向的变化。可以看出,两个频率(f=1.34 GHz和f=1.50 GHz)在谐振腔中和输出同轴段中的分布特性基本一致,即在45°位置出现频率1(f=1.34 GHz)的极大值,在225°出现频率2(f=1.50 GHz)的极大值,在130°和330°的临近分区边界上两个频率的成分基本相等。这进一步说明了两个频率在谐振腔中已经产生,并且分区工作。
器件横截面的电子相空间图如图7所示。可以看出,由于角向分区的引入,电子束的相空间图在角向不再均匀,出现了分区工作的现象。
同时监测热腔中电场的分布,在t=45.1 ns时的电场分布如图8所示。图8(a)表示谐振腔中的横截面上的径向电场分布,图8(b)表示输出同轴段的横截面上的径向电场分布。从图可以看出,此时刻腔内合成场的微波模式类似于TM00模,而同轴输出段合成场的模式类似为TEM模式。
在分区比例为1∶2的模型中仍然有类似于分区比例为1∶1模型的场分布,即对应着输出双频微波信号稳定地形成拍频后的微波信号最大时,在60°纵截面上的分布与240°纵截面上的电场分布相位一致;而对应着输出双频微波信号稳定地形成拍频后的微波信号最小时,在60°纵截面上的分布与240°纵截面上的电场分布相位不完全相同。轴向电场在60°与240°纵截面上的分布相位相反,此时,对于总的电场来说正好为0,这与输出微波产生拍频现象是吻合的,根据时间差,其对应的频率约为160 MHz,正好是两个频率的差频频率。
1.3 角向分区比例1∶3
当分区比例为1∶3时,分区边界是0°和90°,取ro1=140 mm,弧长为90°,ro2=129 mm,弧长为270°。在相同电压、电流条件下,得到结果是微波频率分别为1.36 GHz和1.50 GHz,周期平均功率约为2.70 GW,功率效率约为11.2%。输出微波及其功率谱如图9所示。
图10(a)表示了在谐振腔中的频率成分随角向的变化,图10(b)则表示了在输出同轴段中的频率成分随角向的变化。可以看出,两个频率(f=1.36G Hz和f=1.50 GHz)在谐振腔中和输出同轴段中的分布特性基本一致,即在45°位置出现频率1(f=1.36 GHz)的极大值,在225°出现频率2(f=1.50 GHz)的极大值,在120°和320°的临近分区边界上两个频率的成分基本相当。这进一步说明了两个频率在谐振腔中已经产生,并且分区工作。
器件横截面的电子相空间图如图11所示。可以看出,由于角向分区的引入,电子束的相空间图在角向不再均匀,出现了分区工作的现象。
1.4 角向分区比例2∶1
当分区比例为2∶1时,分区边界是0°和240°,取ro1=140mm,弧长为240°,ro2=129 mm,弧长为120°。在相同的电压、电流条件下,得到的输出微波的频率主要是1.27 GHz,周期平均功率约为2.2 GW,功率效率约为9.1%。另外还有几乎可以忽略的频率成分,其值为1.48 GHz。输出微波及其功率谱如图12所示。器件横截面的电子相空间图如图13所示。可以看出,由于角向分区的引入,电子束的相空间图在角向不再均匀。
1.5 角向分区比例3∶1
当分区比例为3∶1时,分区边界是0°和270°,取ro1=140 mm,弧长为270°,ro2=129 mm,弧长为90°。在相同的电压、电流条件下,得到的输出微波的频率为单频率,其值为1.25 GHz,周期平均功率约为2.3 GW,功率效率约为9.5%,输出微波功率及其功率谱如图14所示。器件横截面的电子相空间图如图15所示。可以看出,由于角向分区的引入,电子束的相空间图在角向不再均匀。
2 角向均匀的单频率MILO
当ro1=ro2=ro=140 mm时,角向均匀无分区,在相同的电压、电流条件下,得到了稳定的频率为1.23GHz的单频微波输出,周期平均功率约为2.9 GW,功率效率约为12%。而当ro1=ro2=ro=129 mm时,在相同的电压、电流条件下,得到了稳定的频率为1.43 GHz的单频微波输出,周期平均功率约为3 GW,功率效率约为12.4%。
3 讨论与结论
利用粒子模拟研究的方法,研究了角向分区比例分别为1∶1,1∶2,1∶3,2∶1和3∶1的双频MILO以及单频MILO的微波产生特性。表1列举了在相同条件(电压为530 kV,电流为45.5 kA)下,角向分区比例不同的双频MILO以及单频MILO的粒子模拟结果。
分析可知,双频MILO内部根据角向不同分区比例分区独立工作,通常每一个分区对应一个频率,微波的产生和传输主要集中在相应的角向分区中。随着谐振腔深度的增大,工作频率升高;随着扇形谐振腔角度的减小,工作频率也升高,这些都符合MILO的高频特性。但是,随着扇形谐振腔角度的减小,导致其工作频率增大,因此可以判断:对应于本文定义的分区比例1∶N,随着N增大,两个分区的频率非常接近,最后只能出现一个输出微波频率;而对分区比例N∶1,随着N增大,两个分区的频率差距增大,较高的频率在谐振腔内难以起振,最后也只能出现一个输出微波频率,这是分区比例2∶1和3∶1的情况只出现单频的原因。同时比较可以看出双频MILO的功率效率比单频MILO有一定的降低。
本文的研究更进一步揭示了双频MILO内束-波互作用分区分别工作的规律,提高了对双频MILO产生双频率高功率微波的机理的认识,为双频MILO的双频辐射技术和双频微波测试技术提供了依据。
参考文献:
[1] 陈代兵,孟凡宝,王冬,等. L波段双频磁绝缘线振荡器的设计与粒子模拟[J].强激光与粒子束,2009,21(3):429-433.(Chen Daibing,Meng Fanbao,Wang Dong, et al. Design particle simulation of L-band bifrequency magnetically insulated transmission line oscillator.HighPower Laser and Particle Beams,2009,21(3):429-433)
[2] 陈代兵,王冬,范植开,等.多频磁绝缘线振荡器的粒子模拟[J].强激光与粒子束,2007,19(10):1702-1708.(Chen Daibing, Wang Dong,Fan Zhikai, et al. Particle simulation of multi-frequency MILO.High Power Laser and Particle Beams, 2007,19(10):1702-1708)
[3] Lemke R W, Clark M C. Theory and simulation of high-power microwave generation in a magnetically insulated transmission line oscillator[J].Appl Phys Lett, 1987,62(8):3436-3440.
[4] Clark M C, Marder B M, Bacon L D. Magnetically insulated transmission lines oscillator[J].Appl Phys Lett, 1988,52(1): 78-80.
[5] 孙会芳,董志伟,姜幼明.改进型磁绝缘线振荡器的设计和数值模拟[J].强激光与粒子束, 2001,13(1):93-96. (Sun Hueifang, Dong Zhi-wei, Jiang Youming. Design and numerical simulation of an improved type MILO.High Power Laser and Particle Beams, 2001,13(1):93-96)
[6] Chen Daibing, Fan Zhikai, Dong Zhiwei, et al. Experimental researches on ladder cathode MILO[C]//Proceedings of the First Euro-AsianPulsed Power Conference. 2006.
[7] 陈代兵,范植开,董志伟,等.阶梯阴极型L波段MILO的实验研究[J].强激光与粒子束,2007,19(5):820-824.(Chen Daibing, Fan Zhi-kai, Dong Zhiwei, et al. Experimental researches on ladder cathode MILO.High Power Laser and Particle Beams, 2007,19(5):820-824)
[8] 陈代兵,范植开,周海京,等. L波段硬管磁绝缘线振荡器的研制[J].强激光与粒子束,2007,19(8):1352-1356. (Chen Daibing, Fan Zhi-kai, Zhou Haijing, et al. Investigation of L-band hard-tube MILO.High Power Laser and Particle Beams, 2007,19(8):1352-1356)
基金项目:国家高技术发展计划项目
作者简介:陈代兵(1975—),男,博士生,主要从事高功率微波及相关技术研究;Renture@sina.com.cn。
