W波段回旋速调管放大器的优化设计与分析

　　在模式场匹配理论和注波互作用非线性理论的基础上，对TE01模W 波段回旋速调管冷腔模型进行了模拟分析，通过分析结果建立了4腔高频系统粒子模拟模型，并对其注波互作用进行了详细分析、计算，优化得到在注电压为75kV，注电流为15A，磁场为3.29T，输入功率为72W，纵横速度比α为1.5时，输出功率为362kW，效率超过32%，增益为37dB的设计模型。

　　回旋速调管是一种快波器件，属回旋管家族中的一员，具有高功率、高效率、高增益及一定带宽等特点，适合作毫米波高性能雷达、相控阵雷达、毫米波通信、受控热核聚变等系统的功率源，广泛应用于通信、雷达、电子对抗、等离子体加热及材料处理等领域，具有广阔的发展前景，越来越受到人们的重视。

　　由于毫米波应用系统的需要，目前回旋速调管放大器的发展主要集中在Ka波段和W 波段两个大气窗口，对应的工作频率分别为35GHz和94GHZ。作为两个大气窗口之一，由于W 波段微波能够穿透电离层，具有独特的传输特性，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)使得使得W 波段回旋速调管的研究对军事领域具有尤其重要的意义。

　　但是随着频率的提高，该波段较之Ka波段的回旋速调管具有尺寸更小并且加工精度更高等特点，而且尺寸变小使得放大器的功率容量变小，这些都对W 波段回旋速调管的研究提出了更高的要求。

　　本文首先根据场匹配理论建立了W 波段回旋速调管高频结构的计算模型，并利用高频仿真软件进行优化设计，使其在W 波段获得了高纯度的工作模式。然后根据冷腔设计得到的模型，利用MAGIC粒子模拟软件对其注-波互作用过程进行数值模拟研究，详细分析了漂移段长度、电子注电流和注电压、横纵速度比等参数对输出功率、效率的影响。

　　1、理论分析

　　回旋速调放大器的圆柱谐振腔为两端开孔的突变结构谐振腔，其高频场的分布以及谐振频率和Q值的计算是一项非常重要的内容，我们利用模式展开与场匹配理论对谐振腔体进行了分析。如图1所示，腔体由两个突变结构组成，下标1和2表示腔体的左右部分。假设波导突变端两侧都存在一系列的入射波，反射波，其中F1、F2分别表示I区，II区的入射波的电场幅值；B1、B2分别表示I区，II区中反射波的电场幅值；ei1、ei2分别表示I区，II区中归一化电矢量波函数；hi1、hj2分别表示I区，II区中归一化磁矢量波函数；Zi1、Zj2分别表示I区，II区的特性阻抗。

图1　具有突变结构的谐振腔传输模式图

　　4、结论

　　本文采用理论分析与高频仿真软件相结合的方法对W 波段回旋速调管的高频结构进行了全面的研究分析，并对输入腔、群聚腔和输出腔进行了优化设计。根据优化得到的冷腔尺寸模型，利用三维粒子模拟软件MAGIC 设计了一个工作于W 波段TE01模的四腔回旋速调管，详细分析了漂移段长度、电子注电流和注电压、横纵速度比等参数对输出功率、效率的影响。在注电压为75kV，注电流为15A，磁场为3.29T，输入功率为72W，纵横速度比α为1.5时，输出功率为362kW，效率超过32.%，增益为37dB。此设计方案可供3mm 回旋速调管的研制提供有利参考。