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带状注速调管高频结构的初步研究
,-./ ’! 01-23 $4+-*3) )-5"6-78"-9: %& ;*-.;" 9+ .8-)* 2:) <-)"; 2:) ;*-.;" 9+ (98=3-:. (2>-"? 图 ’! 波导高度、 耦合腔宽度和高度变化对场均匀性的影响
! ! 对电场均匀性不敏感的尺寸有 ’， ’ " 和 !， 改变这些尺寸几乎不会改变 "# 和 "（ 。 % 见图 @ ）
［ A］ 。 轴向电场力作用， 电子注群聚的质量就会受到影响。为使电场均匀， 可采用图 + 所示的 “ !” 形谐振腔结构 " " “ !” 形谐振腔中间部分为一段波导， 波导末端为两个大小相同的耦合腔， 其尺寸与中间波导不同。矩形
波导内的场是驻波场， 当波导处于横向谐振状态时， 其电场分布沿 " 方向是 （ 或接近于） 均匀的， 沿 $ 方向满足 半正弦规律。由于带状电子注沿 $ 方向尺寸很小， 电子注在其厚度范围内受到的电场变化极小。因此， 该形状 的谐振腔能够用于带状注速调管中， 其产生的矩形电场便于与带状电子注进行高效的互作用。图 % 给出了该 型谐振腔基模的电场和磁场分布图。
［ <］ 由 （%） 式可确定 ’， ’ - 可初步设定为 % )， & - 可以由 （9） 式初步确定 ， 其余尺寸通过 =!’’ 计算调整并最终确
定。 ’ ) ! * % ) + * %, >? ,% > -> % （ % - %） &- ! + ’（%） （9）
& & 依据上述原理， 我们设计了一个 @ 波段带状注速调管谐振腔。谐振腔的尺寸 & A >BC$ 9 ++， ’ A >D$ B% ’ - A %?$ 9% ++， ( - A >B ++。与谐振腔相连的漂移管高度为 >B$ < ++。基模谐振 ++， ( A >B ++， & - A >B$ << ++， 频率 ,> A >>$ D>D E=F，.B A D BB9$ > ，/ * . A ><$ C? "。图 D 为谐振腔基模电场分布轮廓， 图 ? 为电场沿谐振腔 中心线的分布， 与矩形谐振腔中电场分布 （ 见图 < 和图 G ） 相比， 前者的电场均匀性要大大优于后者。
"# 带状注速调管 “ !” 形谐振腔
" " 矩形谐振腔的基模 :=##, 电场表达式为 （ 坐标系的选取可参见图 + ）
{
!" # , !$ # , ! % # !##, QFH （ & " "） QFH （ & $ $） （#）
" " 若选用该型谐振腔与带状电子注相互作用， 同一时刻到达腔体间隙但不同 " 和 $ 处的电子会受到不同的
!"#$ G& JK",2 !3/"*26 "; 1*(-,;#:2,1 (,7"-8 图 G& 矩形谐振腔沿中心线电场强度
! $ %# 腔体各尺寸对电场均匀性的影响 & & 带状注速调管谐振腔要求其间隙电场保持均匀， 因此研究腔体各尺寸变化对于场均匀性的影响具有十分 重要的意义。通过 =!’’ 模拟分析可知， 对电场均匀性敏感的尺寸分别为波导高度 ’、 耦合腔高度 ’ - 和宽度 &- 。 & & 假设耦合腔基模频率为 ,> ， 中间波导 LM>B 模式的截止频率为 ,% 。当中间波导的高度 ’ 减小时， ,> N ,% ， 中间 中间波导处于导通状态， 电场中间强， 两侧弱 （ 见图 C 波导处于截止状态， 电场中间弱， 两侧强； 反之， ,> O ,% ， （ ,） ， （ 0） ） 。
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! ! 当耦合腔的横向尺寸 ! " 减小时， "# $ "% ， 中间波导处于导通状态， 电场中间强， 两侧弱； 反之， "# & "% ， 中间波 导处于截止状态， 电场中间弱， 两侧强 （ 见图 ’ （ (） ， （ )） ） 。 "# $ "% ， 中间波导处于导通状态， 电场中间强， 两侧弱； 反之， "# & "% ， 中间波导处 ! ! 当耦合腔的高度 # " 减小时， 于截止状态， 电场中间弱， 两侧强。与 ! " 相比， 由于 # " 对 "# 影响较小， 因此对场的均匀性影响也相对较小 （见 图’ （ *） ， （ +） ） 。
" " 带状注速调管 （ 8<L） 是在传统单注速调管的基础 上， 采用宽高比值很大的薄矩形注来降低电子注的空 间电荷效应， 并在保持适当工作电压和低电流密度的 情况下， 增加功率容量和提高注波互作用效率的一种 新型高功率微波电子真空器件。典型的带状注速调管 结构如图 # 所示。
EFG) #" ;’HIFGJ?>KF’H ’I 8<L 图 #" 带状注速调管结构示意图
!"#$ D& !:;6,+*;-,2 +.6* "; 0,10*2234),5*6 (,7"-8 图 D& ’HI 谐振腔基模电场轮廓图
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*+,’ ")& -./01 234+56 7/8 9:;;8199+<, =/>19 +< 5.1 >8+75 9;321 图 ")& 可抑制漂移管中模注速调管的漂移管为矩 & & 抑制漂移管中模式的另一种方法是在漂移管窄壁开缝并添加衰减材料
形波导结构。当 $( 模式在其中振荡时， 这些模式对应的内壁电流密度的大小和方向均由表面处的切向磁场 分量决定。沿漂移管窄壁开缝可将电流线切断， 从而可破坏漂移管中 $( 模式对应的场分布 （ 见图 "" （ 3） ） 。 采用该法可以抑制相同壁电流分布的所有模式。在漂移管顶部和底部添加衰减材料， 也能够有效抑制漂移管 中的非工作模式 （ 见图 "" （ F） ） 。
*+,’ ""& G:;;8199+/< /7 H* 3F9/8F18 3>>1> +< >8+75 9;321 5/ =/>1 +< 5.1 >8+75 9;321 图 ""& 在漂移管中添加的衰减材料对漂移管中模式的抑制
! ’ !" 漂移管尺寸及漂移头对电场的影响 & & “ #” 型谐振腔的 ’ ( ) 值小， 因此与腔体连接的漂移管高度对于腔体电场分布影响很大。下面分别考虑了 漂移管高度为@ ’ I ， I ’ I 和") ’ I == 时腔的电场分布 （ 见图"! ） 。 从模拟结果可以看出， 随着漂移管高度增加，
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!"#$ %& ’()*+,-"( ./ 0,10*2234),5*6 (,7"-8 图 %& 带状注速调管 “ !” 形谐振腔示意图
!"#$ 9& !， "3/"*26 6"4-1"0:-".; ./ /:;6,+*;-,2 +.6* 图 9& 基模电磁场分布图
!" !# $ 波段带状注速调管 “ !” 型谐振腔的设计 & & 带状注速调管谐振腔的设计核心在于使谐振腔的基模谐振频率等于中间波导基模截止频率。在沿 #， $， % ’- ， ( - 。根据设计要求的谐振腔频率， 方向， 中间波导的尺寸 （ 宽、 高、 长） 分别为 & ， ’， (， 耦合腔的尺寸分别为 & - ，
［ #］ 中的模式 。图 ") 给出了扼流器的结构示意图， 即在距离腔体 " C # 波
长奇数倍处放置一些长度为 " C # 波长的谐振腔。这种方法的优点是能 够有效抑制漂移管中的模式； 缺点是在实际应用中， 需要对这些腔体进 行调谐， 并且一种扼流器只能针对一种模式进行吸收， 由于不同模式的 扼流器的尺寸和位置各不相同， 这大大增加了设计的难度。 !’ "’ !& 漂移管窄壁开槽法
［ #］ 。此后的 P, 多年里， 对 8<L 的研究并 " " 带状注速调管的概念最早由俄罗斯的 L’M>(NHO’ 于 #$%C 年提出