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摘要

结合理论分析和数值模拟, 研究了TM ₀₂模过模结构相对论返波管的模式竞争机制. 理论推导得到波纹波导中混合模式与圆波导中对应模式的近似关系, 以近似模式作为波导输入来计算包含的高频结构 S ₁₁参数曲线, 分析各模式的品质因数. 三维粒子模拟结果显示, 当TM ₀₂模式的耦合阻抗优势明显时, 束波作用点基本不受两端反射影响, 输出的其他模式微波主要是由互作用模式转换而来; 当耦合阻抗优势不明显时, 品质因数的改变会影响束波相互作用, 起振模式随之变化. 各模式群速度接近时, 谐振对工作模式的影响的实质是末端反射主导下的品质因数对模式的影响. 品质因数和耦合阻抗对返波管工作模式的共同作用为在输出模式稳定的前提下优化输出功率、降低磁场提供了更大空间, 使用多目标优化设计算法对相对论返波管进行优化, 最终三维模拟得到的返波管输出功率达到534 MW, TM ₀₂模式输出功率占比94.95%.

关键词:

Abstract

The mode competition in an overmoded relativistic backward wave oscillator is studied through theoretical analysis and three-dimensional particle-in-cell simulation in this work. Based on the quality factor and coupling impedance, the mode selection for a TM ₀₂mode backward wave oscillator is achieved, and its output power and magnetic field strength are optimized in the simulation. The quality factor is related to the group velocity and end reflection of each mode. The dispersion curves of some non-axisymmetric modes are very close, and the group velocities are basically equal. Therefore, the end reflection needs considering to distinguish between the quality factors of different modes. In frequency domain simulation, analyzing the quality factor of each mode by using the S ₁₁parameter curve can avoid calculating the end reflection. The three-dimensional simulation results show that the coupling impedance and quality factor jointly affect the operating mode. When the coupling impedance advantage of the working mode is not obvious, changing the resonant frequency of the high-frequency structure can affect the beam-wave interaction process, thereby changing the excitation mode. When the advantage is obvious, the beam-wave interaction of the excitation mode will not be destroyed by the resonant mode, and other modes of microwave output mainly come from the conversion of the same frequency modes. Due to the constant dispersion curve, the effect of resonance on the mode is essentially the effect of the quality factor on the mode dominated by the end reflection. The insensitive parameters and the electron beam radius obtained from the simulation are used as the optimal parameters, and the automatic optimization algorithm is used in combination with the two-dimensional simulation to perform multi-objective optimization design in the above device. The final output power of the backward wave oscillator reaches 534 MW, with an efficiency of 23.64%, an increase of 221.7% compared with the efficiency of the original device. The device operating mode remains stable, with a power ratio of TM ₀₂mode reaching 94.95%.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:翟永贵,zhaiyg@xjtu.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 12175176, 12235013)资助的课题.

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Zhai Yong-Gui,zhaiyg@xjtu.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 12175176, 12235013).

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参考文献

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序号	L_r1/mm	L_r2/mm	L_b/mm	r_r1/mm	r_r2/mm	r_a/mm	r_b/mm	r_c/mm
1	3.0	6.0	2.0	11.0	14.0	9.2	9.2	10.8
2	6.7	7.0	9.0	14.1	14.1	10.8	9.2	10.8

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序号	L/mm	r_b/mm	TM₀₂功率占比/%	主要竞争模式及占比/%
1	7.0	7.0	35.27	TM₀₁	24.36
2	7.5	7.0	42.09	TE₄₁	27.92
3	8.0	7.0	73.69	TE₀₁	13.91
4	8.5	7.0	33.24	TE₄₁	30.12
5	9.0	7.0	46.75	TE₄₁	32.53
6	10.0	7.0	53.70	TM₀₁	19.66
7	11.0	7.0	54.95	TM₀₁	22.72

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	模式
	TM₀₂	TE₄₁	TM₀₁	TE₀₁	其他
功率占比/%	46.75	32.53	19.09	1.52	0.01
谐振频率f/GHz	26.00	25.98	26.09	25.95	—
Q	23.32	6493.75	783.48	462.57	—

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	模式
	TM₀₂	TE₄₁	TM₂₁
工作频率/GHz	26.02	25.83	24.57
谐振频率f/GHz	26.00	25.97	24.38
r_out/mm	10.8	10.6	10.7
L/mm	9.0	11.0	7.0
Q	3610.8	3935.6	2890.6

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参数	初始值	变化范围	精度
L/mm	7.0	[5.0, 11.0]	0.1
r_e/mm	16.5	[14.0, 20.0]	0.1
r_b/mm	7.0	[6.4, 7.6]	0.1
L_B/mm	125.0	[100.0, 160.0]	0.1
B/T	2.8	[0.4, 3.0]	0.01

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参数	L/mm	r_e/mm	r_b/mm	L_B/mm	B/T
优化结果	6.5	15.5	7.2	118.1	1.42

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