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第５２卷第４期２００３年４月
１０００．．３２９０／２００３／５２（０４）／０９１４．－０６
物 理学 报
Ｖｏ１．５２，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ。２００３
ＡＣＴＡ ＰＨＹＳＩＣＡ ｓＩＮＩＣＡ
＠２ＯＯ３ Ｃｈｉｎ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｅ．
等离子体加载螺旋线行波管特性研究
谢鸿全
李承跃 鄢 扬 刘盛纲
６２１００２）
６１００５４）
（西南科技大学理学院，绵阳
（电子科技大学高能电子学研究所。成都
（２００２年２月６日收到；２００２年７月９日收到修改稿）
利用线性场理论和螺旋线的导电面模型，推导了在强引导磁场下，等离子体加载螺旋线慢波结构的色散关系． 数值计算了在不同的等离子体填充密度与填充半径条件下，螺旋线的色散特性、耦合阻抗和行波管的小信号增益． 研究发现，在螺旋线中填充了等离子体以后，形成了一种新的混合模式，螺旋线的色散特性与耦合阻抗都发生了很
大的变化。行波管的增益得到显著提高．
关键词：螺旋线行波管，等离子体，混合模式
ＰＡＣＣ：５２７５，５２４０Ｄ
线外有一个半径为ｒＩ的金属圆筒，在圆筒与螺旋线
１．引 言
间填满了介质，其介电常量ｅ ＝Ｅ：ｏｅ ，导磁率为／ａ ．
一
束相对论电子注穿过该慢波结构，其位置与等离
螺旋线是一种重要的慢波结构，广泛应用于行 波管等多种微波器件中．人们对它的研究早在２０世
子体重合．整个系统置于强引导磁场中．
纪４０年代就开始了…，最初是单根螺旋线，后来为 了提高螺旋线行波管中基波的耦合阻抗和输出功 率，以及抑制返波振荡，又逐步发展了螺旋线的各种 变型，如环杆结构、环圈结构等 ．自２０世纪８０年 代以来，随着在微波器件中填充等离子体的研究热 潮，有关圆柱波导、波纹波导等慢波结构中填充等离 子体的各种线性理论已迅速发展起来ｂ ］，对于螺 旋线中填充等离子体的研究在国外直到最近几年才 有所报道ｎ 川．本文从导电面模型出发，利用线性场 理论，推导了部分填充等离子体的螺旋线的色散方
图１系统内的径向结构
程，数值计算了螺旋线的色散特性与耦合阻抗以及 行波管的小信号增益．研究发现，当螺旋线中填充了 等离子体以后，螺旋线的结构波模式与等离子体模 式在两者相速相同的频率处发生了耦合，形成了一 种新的混合模式［Ｉ ］，螺旋线的色散特性与耦合阻 抗都发生了很大的变化，行波管的放大能力显著 提高．
２
为了使我们的分析变得较为清晰简明，突出引 入等离子体所带来的影响，我们假定引导磁场为无 限大，这样等离子体的介电张量可表示为ｂ
［ｅ］＝ｅ。ｌ ０ １ ０ ｌ，
Ｌ０ ０ ｅ ．Ｊ
ｒ．１ ０ ０ １
（Ｉ）
式中ｅ ＝Ｉ一 ＣＯｐ一
２．物理模型
如图１所示，在螺旋角为 、半径为ｒｈ的螺旋 线内填充了一半径为ｒｐ的均匀冷等离子体柱，螺旋
∞
为等离子体振荡频率， ＝（ｅ ｎ ，ｅ。ｍ）ｍ为电子注 等离子体振荡频率，ｙ为相对论因子，也为波数， 为电子注速度．
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４期 谢鸿全等：等离子体加载螺旋线行波管特性研究 ９ｌ５
Ｅ（ｒ＝ｒ ）＝Ｅ（ｒ＝ｒ；），
３．色散方程
米用螺旋导电向模型，利用纵同场分重 ，口Ｊ得
（ｒ＝ｒ ）＝ （ｒ＝ｒ；），
Ｅ （ｒ＝ｒ ）＝ （ｒ＝ｒ：），
（ｒ＝ｒ ）＋ （ｒ＝ｒ ）ｃｏｔａｎ（ ）＝０，
到系统各区域的场分布（以下各场分量中均略去了 因子ｅｘｐ［ｉ（ｋ，ｚ—ｔｏｔ）］）．
Ｉ区（０≤ｒ≤ｒ ）：
＝
Ｅ （ｒ＝ｒ：）＋ （ｒ＝ｒ：）ｃｏｔａｎ（ ）＝０，
（ｒ＝ｒｈ）＋
＝
（ｒ＝ｒ ）ｃｏｔａｎ（ ）
Ａｌ Ｉｏ（Ｔｌ ｒ），
（ｒ＝ｒ：）＋ （ｒ＝ｒ ）ｃｏｔａｎ（ ），
（ｒ＝ｒ ）＝０，
（５）
Ｅ （ｒ＝ｒ ）＝０，
Ｉｒ），
＝
＝
可求得各场分量的相对幅值
：，。（ ｒ），
Ａ２＝
Ａ ２ Ｉｏ（Ｔ２ ｒ），
二
。
ｉ ｔａｎ Ａ３Ｉｏ（Ｔ２ ｒｈ）＋Ａ４Ｋｏ（Ｔ２ ｒｈ）
，ｌ（Ｔ２ ｒｈ） ’ ｏ
＝
（ ｒ）＇
Ａｌ Ｔ２，０（Ｔｌ ｒｐ）Ｋｌ（Ｔ２ ｒｐ）＋Ｔｌ，ｌ（ＴＩ ｒｐ）Ｋｏ（Ｔ２ ｒｐ） 