轴向输出TEio模式的紧凑型相对论磁控管的粒子模拟研究1（专题组稿）史辿夫钱宝良王弘刚李伟（国防科学技术大学光电科学与工程学院，湖南长沙410073）摘要：研究了一种轴向输出TER模式的紧凑型相对论磁控管，该器件采用6谐振腔结构并工作在兀模式上，通过4腔轴向输出的结构设计使得谐振腔结构与矩形输出波导Z间形成了较好的过渡，实现了矩形TER模式的微波输Hlo与衍射输出相对论磁控管相比，这种结构设计，不仅能减小磁控管的轴向和径向的尺寸，使得系统更加紧凑化,而且能在输出波导中获得更加纯净的低阶微波模式。利用粒子模拟软件，初步分析利优化了器件的丄作性能。模拟结果表明：当电压为500kV,磁场为0.5T时，该器件的工作频率为2.58GHz,输出功率为1.0GW,功率转换效率达到25.0%,关键词：相对论磁控管轴向输出TER模式紧凑型：TN128文献标志码：A：SimulationStudyonaCompactRelativisticMagnetronwithAxialOutputforTE10ModeShiDifu,QianBaoliang,WangHonggang,LiWei(CollegeofOptoelectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)Abstract：AcompactrelativisticmagnetronwithaxialoutputforTE|0modeisinvestigated,andthemagnetronof6resonantcavitiesoperatingat兀-modecanradiateaxiallywithTE®modethrougharectangularwaveguidewhichisdesignedtomatchwithfouroftheseresonantcavities.Comparedwiththemagnetronwithdiffractionoutput(MDO),thisdesignnotonlymakesboththediameterandtheaxiallengthofthemagnetronminimizedsothatthewholesystemcanbedesignedmorecompact,butalsoprovidesamuchpureroutputmodeofaloworderintheoutputwaveguide・Inthree-dimensionalp-in-cell(PIC)simulation,theoperatingperformanceofthemagnetronproposedinthispaperhasbeenanalyzedandoptimized,andthepowerconversionefficiencycanreach25.0%,correspondingtotheoutputpowerof1.0GWandtheresonantfrequencyof2.58GHz,undertheconditionoftheappliedvoltageof500kVandtheappliedmagneticfieldof0.5T.Keywords：Relativisticmagnetron;Axialoutput;TE)omode;Compactness1收稿日期：2015-XX-XX作者简介：史迪夫（1987—）,男，重庆北硝人，博士研究生,E-mail：shidiful19@aliyun.com；钱宝良（通佶作者），男，教授，博士，博士牛导师，E-mail：blqian@163JamesBenford从研制实用型的高功率微波系统角度出发，指出了未來高功率微波源的四个发展方向［儿（1）全面减小系统尺寸和重最，提高功耗比：（2）高重复频率工作；（3）频率可调谐；（4）长寿命。为了满足未來高功率微波源的发展应用需求，具有结构简单，效率高，频率可调，适合长脉冲和髙重复频率运行等特点的相对论磁控管成了人们广泛和深入研究的对象之一⑵。相比径向输出相对论磁控管而言，结构更加紧凑的轴向输出相对论磁控管在全面减小系统尺寸和重量方面具有更人的优势，因而成为近期研究的一大热点。2011年，国防科技大学李伟博士等人针对轴向输出相对论磁控管互作用区中的电子束长距离轴向漂移的问题，提出了一种改进型外加磁场结构，不仅提高了功率转换效率，而且减小了轴向输岀结构的轴向尺寸叫2012年，他们在实验上验证了该外加磁场结构在提高效率，减小结构尺寸方面的作用囹。2012年,美国新墨西哥大学C.Leach博士等人通过在磁控管的轴向输111端口直接连接一个与磁控管半径尺寸相同的输出圆波导，研究了磁控管中不同数口的输出腔对输出特性的彩响。粒子模拟表明该新型轴向输出结构使得整个系统结构在轴向上和径向上更加紧凑化和小型化，从而使得轴向电子束漂移距离更短，外加磁场系统更紧凑，输出模式TE11更纯净。结构未经优化的该磁控管工作频率为2.44GHz,输出功率为520MW,功率转换效率在14%左右⑸。2012年，美国新墨西哥州空军研究实验室BradHotY、等人提出了一种全腔提取结构的相对论磁控管，捉収结构采用径向耦合孔与扇形波导耦合输出,使得结构更加紧凑⑹。2014年，中国北京应用物理与计算数学研究所杨郁林等人在此棊础上结合了透明阴极技术，研究了一种全腔提取结构透...