多腔虚阴极振荡器研究

　　虚阴极振荡器具有结构简单、频率可调、不需要外加磁场等优点,是目前研究的热点之一。近年来,出现了各种各样的改进型虚阴极振荡器,比较典型的有反射三极管、同轴虚阴极振荡器[1]、具有谐振腔的虚阴极振荡器[2]、轴向反馈式虚阴极振荡器[3-4]等。本文在轴向反馈式虚阴极振荡器的研究基础之上,提出了多腔虚阴极振荡器,并进行了模拟和实验研究。

　　1　器件结构

　　轴向反馈式虚阴极振荡器能够有效利用反馈机制稳定频率,提高功率,但也正是由于反馈环的存在,使得微波提取效率不高。为保证在适当加强反馈的情况下能提高振荡器的输出功率,我们提出了多腔虚阴极振荡器的结构,如图1所示。该结构能够有效消除结构突变引起的强反射,从而高效率提取微波。其主要特点为:在阳极网下游不远处放置了1个开口比较大的调制环,同阳极网构成第1个腔体对电子束进行弱调制;接着放置了主反馈环进行强反馈调制,并且和第1个环组成第2个开口谐振腔;最后在结构突变处放置了提取环,构成了提取腔。

　　2　冷腔分析

　　首先利用电磁仿真软件对器件的腔体特性进行分析。在不加载电子束的情况下,对器件的工作频点进行了计算,结果如图2所示,其中,D(k2)是关于k的一个多项式,用于计算谐振点,k是波数,f是频率。D(k2)为0和dD(k2)/df为-1时,表明该处过0点值为稳定谐振点[5]。显然,在4.28 GHz附近存在一个稳定谐振点,在4.03 GHz附近存在一个不稳定点。如果选择合适的二极管参数,调整虚阴极工作在谐振点附近,将会得到更强的束波作用。在束波作用得到加强的前提下,有效地增加振荡器对微波的提取是提高输出功率的重要手段。为测定该结构的提取特性,将普通轴向反馈式虚阴极振荡器[3]和多腔虚阴极振荡器进行了提取微波效率的比对研究:假设管子一个端口馈入工作频率的微波,检测另一端日输出情况。仿真计算时不需要加第1个调制环，这和实队、上束波作用卞要发生在第2个腔内是一致的。

　　电磁仿真软件所做的比对结果见表to可以看出，如果虚阴极振荡器激励微波频率在4. 0 G H z附近，则普通轴向虚阴极振荡器提取微波效率不高，其能量透过率不到20%。但若采用改进后的多腔结构，则当微波频率在4. 0一4. 1 GH z之间时，微波提取效率高于60% o图3是电磁仿真软件计算得到的微波频率4. 1 GHz时竹内电场分布图，从图可见，主反馈环和提取环处电场非常强，说明该处的丰禺合作用相当强。

　　3　粒子模拟

　　采用Karat粒子模拟程序进行了模拟计算,设置阳极网电子透过率为70%。图4是电子空间和相空间分布图。从图4(a)中可以看到,电子透过阳极网后,大部分箍缩后被调制成群聚状态。透过阳极网的部分边缘电子被第1调制环吸收,而通过束波作用后的部分电子也被第2,第3调制环吸收掉,从而避免其从微波场中回收能量。图4(b)显示虚阴极形成的非常好,一个良好的棱形出现,并且透射电子沿z轴被强微波调制形成强的群聚状态。