[发明专利]同轴慢波高功率微波源中非旋转对称模式的抑制方法

说明书

本发明公开了一种同轴慢波高功率微波源中非旋转对称模式的抑制方法，目的是提供一种能抑制同轴慢波高功率微波源中所有非旋转对称模式的方法。技术方案是先确定选择的慢波结构参数，包括周期个数N、周期长度L、慢波结构的形状与波纹深度h，并确定同轴慢波高功率微波源的内外导体间距D，设计能够抑制非旋转对称模式的同轴慢波高功率微波源，这样的同轴慢波高功率微波源能使电子束与准TEM模式的准π模同步互作用换能，利用TM₀₁模式的(N‑3)/Nπ模的耦合抑制非旋转对称模式。采用本发明可以在同轴慢波高功率微波源中抑制非旋转对称模式的激励，保证旋转对称的准TEM模式有效起振。

技术领域

本发明属于高功率微波技术领域，涉及高功率微波源的模式控制方法，特别是一种针对高频段、大过模比同轴慢波高功率微波源中非旋转对称模式的抑制方法。

背景技术

高功率微波通常是指频率1GHz至100GHz，脉冲峰值功率大于100MW、频率在微波波段的电磁波。由于其具有非常高峰值功率的特点，在定向能武器、高功率雷达等领域有着非常重要的应用前景，并在近年来得到了许多国家的广泛关注和大量研究投入，取得了极大的技术进步。随着高功率微波技术应用领域的拓展，向更高频段发展成为了高功率微波技术的一个重要的发展方向。

高功率微波源是产生高功率微波的核心器件。在各种高功率微波源中，慢波高功率微波源由于具有高功率、高效率、高重频输出的优点而倍受重视。传统的慢波高功率微波源采用单模空心结构，其功率输出波导内只含有TM₀₁模式而对TM₀₂模式截止，即功率输出波导的半径R₀与产生微波波长λ的关系为：0.38λR₀0.88λ，致使空心结构在高频段应用困难。因此，出于对高频率、高功率容量的需要，近年来一些新型慢波高功率微波源采用大过模比的同轴结构，在保持内外径间距不变的情况下，等比缩放增大器件的径向尺寸。此时，电子束与慢波结构表面距离增大，电磁场在导体表面场强减小，可以显著缓解热效应、提高功率容量。

同轴高功率微波源一般工作在准TEM模式的准π模，通常选择较大的径向尺寸，波导内存在的模式数目多，因此模式控制成为了同轴慢波型高功率微波源研究的重点与难点。在这种器件中模式控制较为复杂，主要分为两个方面，一是对旋转对称的TM_0n模式的抑制，这种模式具有与准TEM模式相同的圆对称特性，易与同样旋转对称的电子束相互作用换能；二是对非旋转对称的准TE_v1模式(有些文献中称之为EH_v1模式)的抑制，这种模式虽然不具备旋转对称的特性，但是它与准TEM模式具有相似的表面波特性，分布在慢波结构表面的轴向电场也可以与电子束相互作用。

目前，同轴慢波型微波源针对TM_0n模式的抑制方法相对成熟，一般利用工作模式(准TEM模式)的表面波特性，将电子束位置设计在靠近慢波结构表面的位置，从而使电子束避免与呈现体积波特性的高阶TM_0n模式互作用。但是，这种抑制方法并不适用于同为表面波的非旋转对称准TE_v1模式。国防科技大学陈思遥等的研究报道中曾经指出【Siyao Chen，JunZhang，Jiande Zhang.Excitation and suppression of asymmetrical modes in highfrequency coaxial slow wave structures.Journal of Applied Physics，2019，Vol.125，No.023302(陈思遥，张军，张建德，高频同轴慢波结构非旋转对称模式的激励与抑制，应用物理杂志，2019年第125卷，023302页)】：在单段同轴慢波结构中，非旋转对称准TE_v1模式由于比准TEM模式增长率高、起振电流低，因而总是会被优先激励。其结构如图1所示，由阴极1、阳极2、慢波结构3、外导体4、内导体5组成。非旋转对称模式作为器件的杂模，是设计中必须避免的模式，若同轴慢波高功率微波源中存在非旋转对称模式则会严重影响同轴慢波高功率微波源的效率与稳定性。因此，有必要研究同轴微波源中非旋转对称模式的抑制方法。