設計了兩類新型同軸反射腔并成功地應用于多頻高功率微波輸出。反射腔采用非對稱的同軸結構，置于同軸相對論返波振蕩器( CRBWO) 慢波系統的前端。文中利用2.5 維CHIPIC 粒子模擬軟件進行粒子模擬研究。仿真結果表明，帶有兩類新型同軸反射腔的雙頻CRBWO 都實現了X 波段雙頻穩定輸出，并且其工作的電壓和磁場的穩定性要明顯好于傳統諧振腔雙頻返波管。采用第二類新型同軸反射腔，在強流電子束電壓480 kV，電流7.5 kA，磁場2.7 T 的條件下，得到了穩定的三頻、四頻輸出，其注波轉換效率分別為15.3%和13.9%，明顯高于其他類型的多頻高功率微波器件。

　　研究表明，由雙頻或多頻組成的高功率拍波去攻擊電子系統時，能使其破壞功率閾值得到降低,因此能同時輸出雙頻或多頻的高功率微波源引起了廣泛的注意。而能在同一個微波源里產生雙頻或多頻輸出的器件比兩個或多個微波源組成的系統更具有優勢，因為其成本更低，更易于實現同步輸出。在近些年的研究中，主要采用返波振蕩器和磁絕緣振蕩器兩種器件產生雙頻，中國工程物理研究院的陳代兵和中國科學技術大學的文杰用磁絕緣振蕩器得到雙頻輸出；2003 年N. S. Ginzburg 等研究的雙頻相對論返波振蕩器得到注波轉換效率為10%,電子科技大學的宋剛永、張建國、唐永福、王輝輝等以及國防科技大學的王挺等都采用返波振蕩器得到了雙頻或多頻輸出。目前雙頻或多頻高功率微波輸出的研究主要著眼于提高注波轉換效率和微波功率輸出的穩定性，為此提出了很多方法，其中前置反射腔的采用較為有效。在已有的研究中反射腔主要采用空心結構，而本文設計了兩類新型同軸不對稱式反射腔并成功地應用于實現雙頻、三頻、四頻高功率微波輸出。

1、基本原理與物理模型

　　選擇相對論返波振蕩器作為產生多頻器件是因為它是O 型器件，屬于高阻抗微波源，束-波轉換效率高，起振快，頻率穩定，比較容易產生高功率微波,它從20 世紀70 年代問世以來，至今已有半個世紀的歷史，發展相對成熟。

　　用前置反射腔代替截止頸主要基于兩點考慮:第一，截止頸半徑隨著頻率升高而減小，在一定程度上限制了器件的功率容量，也可能引起電場擊穿；第二，電子束通過反射腔時，軸向電場對束流起到預調制作用。在單頻高功率微波源的研究中，文獻[ 13]提出了一種新型非對稱的同軸反射腔。其大信號理論分析以及仿真結果表明，新型非對稱同軸反射腔可以在內外腔體內有效地激發起相互同向的軸向電場，可以對電子束進行更加有效的預調制，有效地提高器件的注波轉換效率。因此我們嘗試在多頻的高功率微波源中設計新型同軸反射腔。圖1 為本文設計的兩類反射腔，圖1( a) 采用上下部分深度不同( r 1- r2 X r3- r 4) 、長度相同的結構；圖1(b) 采用上下部分深度( r1 - r2 X r3 - r4 ) 、長度皆不同( r d1 r X 0) 的結構。

圖1 反射腔結構

　　先研究這兩類反射腔在雙頻高功率微波輸出中的應用，為實現雙頻輸出，采用雙段式慢波結構，因為兩段慢波結構的波紋幅值和周期存在差異，從而色散曲線產生差異，與電子注作用時將會產生不同的作用點，因此會有不同的主頻率輸出，如果兩段慢波結構周期相近，則能產生差頻較小的雙頻，更利于降低攻擊電子系統時的破壞閾值。兩段慢波結構都設計為正弦型波紋，波紋半徑按r w= r0+ r1sin( h0z )變化，其中r 0 為波紋平均半徑，r 1 為波紋幅值，h0=2P/ d，d 是波紋周期。第一段波紋周期為1.3 cm,波紋幅值為0.23 cm；第二段波紋周期為1.4 cm，波紋幅值為0.3 cm。內導體平均半徑為1.2 cm，外導體平均半徑為3.0 cm。由慢波結構的幾何參數計算出慢波結構的色散曲線，如圖2 所示，色散曲線與電子Doppler 線的交點處的頻率即為返波管理論上的工作頻率，由圖2(a) 可以讀出在第一段慢波結構上電子Doppler 線與準TEM 模交點處的頻率為9.4GHz，由圖2 (b) 讀出在第二段慢波結構上電子Doppler 線與準TEM 模的色散曲線交點處的頻率為8.6 GHz，滿足雙頻輸出的設計要求。

圖2 慢波結構色散曲線與電子Doppler 線

　　兩段慢波結構之間加漂移段，可以減小電子束的能量分散，有利于電子束在第二段慢波結構中的注波互作用。帶第二類反射腔的同軸相對論返波振蕩器結構如圖3 所示。

圖3 結構模型

結論

　　本文設計了兩類新型同軸非對稱反射腔，并將它們應用于雙頻、三頻和四頻的高功率微波輸出模擬研究中。仿真結果表明，帶有兩類新型同軸反射腔的雙頻CRBWO 都實現了X 波段雙頻穩定輸出,并且其實現雙頻輸出的電壓和磁場的穩定性要明顯好于傳統諧振腔雙頻返波管。采用第二類新型同軸反射腔，本文對多頻CRBWO 進行了粒子模擬研究。在強流電子束電壓480 kV，電流7.5 kA，磁場2.7 T的條件下，本文得到了穩定的三頻、四頻輸出，其注波轉換效率分別為15.3% 和13.9%，明顯高于其他類型的多頻高功率微波器件。