太赫兹准光回旋行波管注波互作用提升研究

王 舜，李星瑶，刘欣璐，陈 洁，吴礼银

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213）

在各类回旋电子脉塞器件中，为了得到更宽的工作带宽并保持较高的输出功率，回旋行波管的注波互作用结构一般选择为光滑波导[1-3]。回旋行波管以其大功率、宽带宽的特性，在高精度雷达和毫米波通信方面有着广阔的应用前景[4-5]，受到了人们的广泛关注和高度重视。

在回旋行波管发展的最初阶段，注波互作用的高频结构一般采用光滑的直波导，其优点是具有较宽的工作带宽，缺点是容易产生寄生振荡，导致工作电流比较小，限制了输出功率[6-7]。经过各国研究学者的不断摸索，发现引入衰减后的高频结构能有效抑制寄生振荡，确保回旋行波管的稳定工作，维持回旋行波管一定的输出功率。美国海军研究实验室在20 世纪80 年代初通过在圆波导中加载衰减介质，发现能够有效提高寄生模式的起振电流，抑制回旋行波管的振荡。20 世纪90 年代，中国台湾中央大学朱国瑞教授团队针对Ka波段加载分布式壁损耗介质的回旋行波管开展了理论和实验研究，取得了良好的效果。

但当频率到达W 波段及以上频段时，由于尺寸的进一步减小，衰减介质的工艺难度进一步提升，加之其对温度敏感、易碎的特点，因此加载衰减介质的方法达到了瓶颈。但通过在回旋行波管高频结构中引入衰减抑制寄生振荡这一核心思想得到了发展[8]。麻省理工学院基于开放波导的思路，在140 GHz 的回旋行波管研制中，采用共焦波导作为高频结构，利用共焦波导的衍射损耗抑制寄生振荡，成功研制出峰值功率30 kW 的准光回旋行波管[9-10]。

针对大功率、宽带宽太赫兹源的目标，基于电子回旋脉塞原理，本文选择准光波导作为高频结构，在大气窗口的中心频点之一0.34 THz，利用数值仿真方法，设计了针对准光波导场分布的电子枪，开展太赫兹准光回旋行波管注波互作用提升研究。

1 理论分析

回旋行波管的原理是基于对流不稳定性实现电磁波的放大，回旋行波管工作在高频结构与电子注色散曲线相切点的附近，电子的色散关系为

波导的色散曲线为

式（1）、（2）中：ω 为电磁波或电子的角频率，Ω 为电子在不考虑相对论效应时的回旋角频率，υz为电子的纵向速度，kz和kt分别为波导的纵向和横向波数，s为谐波次数，c为真空中的光速，γ 是与电子速度有关的相对论因子。准光波导的工作模式选择为TE06，考虑TE15、TE05、TE14 和TE04 为主要竞争模式，在340 GHz附近，准光波导的色散关系如图1 所示。

图1 准光波导的色散曲线

准光波导利用其开敞结构破坏部分模式的场分布，而对于不同的模式场分布不同，因此不同模式的衍射损耗是不同的，具有模式选择特性。准光波导中TE06 模式的场分布如图2 和图3 所示，在其开敞处由于衍射导致场分布很弱，准光波导的场分布在横向（x方向）呈高斯分布，而在纵向（y方向）呈驻波分布。对于传统的环形电子枪，如图2 所示，在敞开处由于场很弱，因此这部分区域的电子参与互作用程度很弱，其互作用效率必然较低。针对准光波导场分布的特点，设计了非轴对称的扇形电子枪，如图3 所示。扇形的电子注在角向不是连续分布的，为了提升互作用效率，电子仅处于场比较强的位置。

图2 传统的环形电子注

图3 扇形电子注

2 数值仿真

利用三维PIC（Particle in Cell）数值仿真软件，建立太赫兹准光回旋行波管注波互作用PIC 仿真模型，在抑制寄生模式的同时使工作模式得到放大，得到最优的太赫兹准光回旋行波管注波互作用设计参数，基于太赫兹准光回旋行波管注波互作用数值仿真模型，探究准光波导情况下太赫兹回旋行波管的注波互作用规律，获得太赫兹准光回旋行波管注波互作用的最优参数，在确保工作模式的输出功率最大的同时抑制寄生模式。

通过调节各参数，将输入耦合器将圆波导中的TE11模式经过镜面两次反射后进入准光波导，并在准光波导中激励起TE06 模式。在输入耦合器设计的基础上引入高压电子注，电子注与输入耦合器中的电磁场相互作用，将高频结构中的电磁波放大并输出。为了实现太赫兹电磁波的放大，一般需要互作用高频区域达到一定的长度，但长度过长会引起寄生模式的返波振荡。为了抑制太赫兹回旋行波管的返波振荡，这里将高频互作用区域通过引入衰减段分为3 部分，如图4 所示，图4 中电子枪为传统的环形电子枪。为了印证改变电子枪或电子注形状以提升准光回旋行波管注波互作用效率的猜想，在仿真软件中特地设计了发射扇形电子注的电子枪结构，如图5所示。

图4 三段式准光波导互作用结构图

图5 扇形电子枪结构图

3 仿真结果

假定输入的太赫兹波为0.25 W，经过互作用区域的相互作用后放大工作模式的电磁波能量，环形电子注的输出功率如图6 所示，输出功率在1 ns 左右达到峰值，在输出端的功率放大至2 kW。扇形电子注的输出功率如图7 所示，从图7 中可以看出，由于互作用效率的提升，输出功率提前在0.5 ns 左右达到峰值，且在相同的工作参数下，最终的输出功率达到了6 kW 左右。整个互作用区域的电磁分布截面图如图8 所示，为了清晰地看到内部电磁场的状态，这里只截取了输入耦合器和三段式放大区中前两段的截面图，从图8 中可以明显看出电磁波的传输、转换、放大的过程。

图6 环形电子注太赫兹准光回旋行波管输出功率

图7 扇形电子注太赫兹准光回旋行波管输出功率

图8 太赫兹准光回旋行波管场分布截面图

最终的0.34 THz 准光回旋行波管工作参数见表1，准光波导的镜半径为2.85 mm，镜宽为1.1 mm，准光波导工作模式选取为TE06 模式，工作电压为70 kV，电子注电流为3 A，外部稳恒磁场为12.25 T，电子注引导中心半径为0.75 mm，横纵速度比选择为1.2，在输入功率为25 W 的情况下，获得了大于5 kW 的输出功率。

表1 0.34 THz 太赫兹回旋行波管工作参数

4 结论

根据准光波导电磁场分布的特点和回旋行波管注波互作用的理论基础，本文对0.34 THz 准光回旋行波管开展了注波互作用的数值仿真研究。针对准光波导场分布的特点，采用特殊的扇形电子注，与普通的磁控注入电子枪相比，仅产生发射带的变化，对电子枪的制造工艺影响很小。相较于传统的环形电子注，准光回旋行波管采用扇形电子注可以使互作用效率提高1 倍左右，扇形电子注在太赫兹准光回旋行波管中具有优势。