[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

摘要

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。

主权项

1.一种同轴慢波高功率微波源中非旋转对称模式的抑制方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，根据同轴慢波高功率微波源的工作频率ω和电子束电压U选择合适的慢波结构参数：1.1确定慢波结构合适的周期个数N：N比最大周期个数Nmax小2到3，是归一化电子速度，电子束电压U的单位为kV；1.2.根据电子束电压U与周期个数N确定慢波结构的周期长度L；1.3.确定慢波结构的形状与波纹深度h,方法是：1.3.1根据高功率微波源对效率、功率的需求，确定慢波结构的形状；1.3.2利用数值计算求解色散方程或电磁仿真软件，获得波纹深度在不同取值时的同轴慢波结构的色散曲线，寻找当色散曲线中准TEM模式(N‑1)/Nπ模的特征频率为ω时的波纹深度，此波纹深度即为同轴高功率微波源中慢波结构的波纹深度参数h的取值；第二步，根据第一步确定的慢波结构参数，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，具体方法是：2.1利用电磁仿真软件搭建同轴慢波高功率微波源互作用区结构模型，慢波结构两端与光滑波导相连，利用慢波结构周期个数N、周期长度L与波纹深度h搭建模型进行仿真，求解传输曲线；通过不断改变内外导体间距D，观察传输曲线上准TEM模式的(N‑1)/Nπ模与TM₀₁模式的(N‑3)/Nπ模的特征频点，当两个模式特征频点完全重合时的D取值即为内外导体间距D；2.2将同轴慢波高功率微波源的慢波结构周期个数设置为N，周期长度设置为L，波纹深度设置为h，将内外导体间距设置为D，得到能够抑制非旋转对称模式的同轴慢波高功率微波源；第三步，采用第二步设计的同轴慢波高功率微波源对非旋转对称模式进行抑制，过程如下：3.1.在同轴慢波高功率微波源振荡初期，从阴极(1)发射的电子束进入同轴慢波高功率微波源的慢波结构区域，把能量传递给同轴慢波微波源中的同步模式，包括旋转对称的准TEM模式和非旋转对称的准TE_v1模式；3.2.同轴慢波高功率微波源中慢波结构(3)的不连续边界使准TEM模式部分转化为非同步TM₀₁模式，使准TE_v1模式部分转化为非同步TM_v1模式；3.3.在同轴慢波高功率微波源中，TM₀₁模式的m等于N‑3，导致电子电导G_e＝0，TM₀₁模式不与电子束换能，微波源不抑制旋转对称的准TEM模式；非旋转对称的TM_v1模式的m不等于N‑3，导致电子电导G_e>0，慢波结构将非同步的TM_v1模式的能量传递给电子束，而TM_v1模式的能量是从准TE_v1模式中转化而来，导致非旋转对称的准TE_v1模式的总能量降低；在微波源振荡初期，准TEM模式与准TE_v1模式的能量差别不大，随着准TE_v1模式的总能量减小，旋转对称的准TEM模式的占比增大，逐渐占据主导地位；随着准TEM模式的占比增大，电子束传递给准TEM模式的能量进一步增加，传递给非旋转对称的准TE_v1模式的能量进一步减小，在微波饱和之前，非旋转对称模式被完全抑制。