設(shè)計(jì)了兩類新型同軸反射腔并成功地應(yīng)用于多頻高功率微波輸出。反射腔采用非對稱的同軸結(jié)構(gòu)，置于同軸相對論返波振蕩器( CRBWO) 慢波系統(tǒng)的前端。文中利用2.5 維CHIPIC 粒子模擬軟件進(jìn)行粒子模擬研究。仿真結(jié)果表明，帶有兩類新型同軸反射腔的雙頻CRBWO 都實(shí)現(xiàn)了X 波段雙頻穩(wěn)定輸出，并且其工作的電壓和磁場的穩(wěn)定性要明顯好于傳統(tǒng)諧振腔雙頻返波管。采用第二類新型同軸反射腔，在強(qiáng)流電子束電壓480 kV，電流7.5 kA，磁場2.7 T 的條件下，得到了穩(wěn)定的三頻、四頻輸出，其注波轉(zhuǎn)換效率分別為15.3%和13.9%，明顯高于其他類型的多頻高功率微波器件。

　　研究表明，由雙頻或多頻組成的高功率拍波去攻擊電子系統(tǒng)時(shí)，能使其破壞功率閾值得到降低,因此能同時(shí)輸出雙頻或多頻的高功率微波源引起了廣泛的注意。而能在同一個(gè)微波源里產(chǎn)生雙頻或多頻輸出的器件比兩個(gè)或多個(gè)微波源組成的系統(tǒng)更具有優(yōu)勢，因?yàn)槠涑杀靖�低，更易于�?shí)現(xiàn)同步輸出。在近些年的研究中，主要采用返波振蕩器和磁絕緣振蕩器兩種器件產(chǎn)生雙頻，中國工程物理研究院的陳代兵和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的文杰用磁絕緣振蕩器得到雙頻輸出；2003 年N. S. Ginzburg 等研究的雙頻相對論返波振蕩器得到注波轉(zhuǎn)換效率為10%,電子科技大學(xué)的宋剛永、張建國、唐永福、王輝輝等以及國防科技大學(xué)的王挺等都采用返波振蕩器得到了雙頻或多頻輸出。目前雙頻或多頻高功率微波輸出的研究主要著眼于提高注波轉(zhuǎn)換效率和微波功率輸出的穩(wěn)定性，為此提出了很多方法，其中前置反射腔的采用較為有效。在已有的研究中反射腔主要采用空心結(jié)構(gòu)，而本文設(shè)計(jì)了兩類新型同軸不對稱式反射腔并成功地應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)雙頻、三頻、四頻高功率微波輸出。

1、基本原理與物理模型

　　選擇相對論返波振蕩器作為產(chǎn)生多頻器件是因?yàn)樗�是O 型器件，屬于高阻抗微波源，束-波轉(zhuǎn)換效率高，起振快，頻率穩(wěn)定，比較容易產(chǎn)生高功率微波,它從20 世紀(jì)70 年代問世以來，至今已有半個(gè)世紀(jì)的歷史，發(fā)展相對成熟。

　　用前置反射腔代替截止頸主要基于兩點(diǎn)考慮:第一，截止頸半徑隨著頻率升高而減小，在一定程度上限制了器件的功率容量，也可能引起電場擊穿；第二，電子束通過反射腔時(shí)，軸向電場對束流起到預(yù)調(diào)制作用。在單頻高功率微波源的研究中，文獻(xiàn)[ 13]提出了一種新型非對稱的同軸反射腔。其大信號理論分析以及仿真結(jié)果表明，新型非對稱同軸反射腔可以在內(nèi)外腔體內(nèi)有效地激發(fā)起相互同向的軸向電場，可以對電子束進(jìn)行更加有效的預(yù)調(diào)制，有效地提高器件的注波轉(zhuǎn)換效率。因此我們嘗試在多頻的高功率微波源中設(shè)計(jì)新型同軸反射腔。圖1 為本文設(shè)計(jì)的兩類反射腔，圖1( a) 采用上下部分深度不同( r 1- r2 X r3- r 4) 、長度相同的結(jié)構(gòu)；圖1(b) 采用上下部分深度( r1 - r2 X r3 - r4 ) 、長度皆不同( r d1 r X 0) 的結(jié)構(gòu)。

圖1 反射腔結(jié)構(gòu)

　　先研究這兩類反射腔在雙頻高功率微波輸出中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)雙頻輸出，采用雙段式慢波結(jié)構(gòu)，因?yàn)閮啥温�波結(jié)構(gòu)的波紋幅值和周期存在差異，從而色散曲線產(chǎn)生差異，與電子注作用時(shí)將會(huì)產(chǎn)生不同的作用點(diǎn)，因此會(huì)有不同的主頻率輸出，如果兩段慢波結(jié)構(gòu)周期相近，則能產(chǎn)生差頻較小的雙頻，更利于降低攻擊電子系統(tǒng)時(shí)的破壞閾值。兩段慢波結(jié)構(gòu)都設(shè)計(jì)為正弦型波紋，波紋半徑按r w= r0+ r1sin( h0z )變化，其中r 0 為波紋平均半徑，r 1 為波紋幅值，h0=2P/ d，d 是波紋周期。第一段波紋周期為1.3 cm,波紋幅值為0.23 cm；第二段波紋周期為1.4 cm，波紋幅值為0.3 cm。內(nèi)導(dǎo)體平均半徑為1.2 cm，外導(dǎo)體平均半徑為3.0 cm。由慢波結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)計(jì)算出慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線，如圖2 所示，色散曲線與電子Doppler 線的交點(diǎn)處的頻率即為返波管理論上的工作頻率，由圖2(a) 可以讀出在第一段慢波結(jié)構(gòu)上電子Doppler 線與準(zhǔn)TEM 模交點(diǎn)處的頻率為9.4GHz，由圖2 (b) 讀出在第二段慢波結(jié)構(gòu)上電子Doppler 線與準(zhǔn)TEM 模的色散曲線交點(diǎn)處的頻率為8.6 GHz，滿足雙頻輸出的設(shè)計(jì)要求。

圖2 慢波結(jié)構(gòu)色散曲線與電子Doppler 線

　　兩段慢波結(jié)構(gòu)之間加漂移段，可以減小電子束的能量分散，有利于電子束在第二段慢波結(jié)構(gòu)中的注波互作用。帶第二類反射腔的同軸相對論返波振蕩器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了兩類新型同軸非對稱反射腔，并將它們應(yīng)用于雙頻、三頻和四頻的高功率微波輸出模擬研究中。仿真結(jié)果表明，帶有兩類新型同軸反射腔的雙頻CRBWO 都實(shí)現(xiàn)了X 波段雙頻穩(wěn)定輸出,并且其實(shí)現(xiàn)雙頻輸出的電壓和磁場的穩(wěn)定性要明顯好于傳統(tǒng)諧振腔雙頻返波管。采用第二類新型同軸反射腔，本文對多頻CRBWO 進(jìn)行了粒子模擬研究。在強(qiáng)流電子束電壓480 kV，電流7.5 kA，磁場2.7 T的條件下，本文得到了穩(wěn)定的三頻、四頻輸出，其注波轉(zhuǎn)換效率分別為15.3% 和13.9%，明顯高于其他類型的多頻高功率微波器件。