W波段带状注扩展互作用速调管三维MAGIC研究

　　带状注扩展互作用速调管通过采用宽高比值很大的带状电子注来降低空间电荷效应，采用多间隙结构来增加功率容量，是一种高频率、高功率的微波真空放大器件。本文利用CST Microwave Studio 与MAGIC 设计了2π 模W 波段带状注五间隙扩展互作用谐振腔，重点研究了五间隙谐振腔关键结构参数对谐振腔特性阻抗与谐振频率的影响，并对器件稳定性与带状注双腔速调管注波互作用特性进行了三维MAGIC 仿真与分析。最后，在电子注电压为19. 5 kV，电流为3. 5 A 时，获得大于8 kW 的输出功率、23 dB 左右的增益。

　　采用带状电子注技术可以在高工作频率下获得较高的输出功率。将带状电子注技术运用于速调管、行波管、返波管等多种真空电子器件中，极大地丰富和拓展了带状注器件的应用。其中，带状注速调管通过采用宽高比较大的薄矩形截面带状电子注代替传统的圆柱形电子注，从而降低了电子注的空间电荷效应，可使其工作于毫米波及太赫兹频段，可获得高功率输出的新型微波真空电子器件。带状注速调管的典型结构示意图如图1 所示。

图1 带状注速调管的典型结构示意图

　　带状注速调管的概念于1938 年由俄罗斯的Kovalenko 首次提出。此后60 多年里，美国、法国和俄罗斯的科学家对这种器件的理论和仿真设计等方面进行了广泛研究。然而，当时的设计条件与应用需求限制了器件的发展。近年来，随着电子系统微波源向着高频率和高功率方向发展，带状注速调管凭借自身优势重新获得关注和发展。

　　20 世纪90 年代以来，国际上多家研究机构( 如美国的SLAC、NRL，德国的柏林技术大学( TU-Berlin)等) 对带状注速调管进行了深入研究，成功研制了X 波段和W 波段带状注速调管。为了进一步挖掘带状注速调管的潜能，发展了具有体积小、重量轻、结构紧凑、工作电压低、带宽宽和功率高等优点的带状注扩展互作用速调管。美国海军研究实验室NRL 设计了91 GHz 带状注扩展互作用速调管，在带状电子注宽高比为19，工作电压19. 5 kV，工作电流3. 0 A，获得10. 5 kW 输出峰值功率， 21. 7 dB 增益与18%的效率; NRL 设计的220 GHz 带状注扩展互作用速调管，在带状电子注宽高比为19，工作电压为16. 50 kV，工作电流为520 mA，聚焦磁场为0. 9 T 时，获得了453 W 输出功率与42. 6 dB 的增益。发展带状注器件必须攻克带状电子注的长距离稳定传输、过模非对称高频结构以及高效率注波互作用系统的设计等一系列关键技术。国内外学者在这些方面开展了大量研究。形成了两类主要的带状电子注成形方式: 直接成形带状电子注; 将圆形电子注通过磁场压缩成带状电子注。在带状电子注的聚焦与传输方面，可以采用均匀场聚焦或周期永磁聚焦系统。高频结构及注波互作用系统

　　的研究主要集中于理论体系及分析方法的建立以及模拟仿真方面。本文主要利用电磁模拟软件CST Microwave Studio 和粒子模拟软件MAGIC 设计W 波段带状注扩展互作用速调管，重点研究了五间隙谐振腔关键结构参数对谐振腔特性阻抗与谐振频率的影响，并对带状注双腔速调管的注波互作用特性进行了三维MAGIC 仿真与器件稳定性分析。最后，在电子注电压为19. 5 kV，电子注电流为3. 5 A 时，获得了大于8. 0 kW 的输出功率与23 dB 的增益。

总体设计

　　根据文献，初步确定W 波段带状注扩展互作用速调管采用两个TM110模五间隙扩展互作用谐振腔，其具体工作参数与腔体参数见表1 和表2。

表1 W 波段带状注扩展互作用速调管工作参数

表2 W 波段带状注扩展互作用速调管腔体参数

扩展互作用谐振腔设计

　　W 波段带状注扩展互作用速调管采用五间隙扩展互作用谐振腔。采用多间隙结构，在相同频率下具有比单间隙结构更高的功率容量，从而进一步提高注波互作用效率和输出功率。五间隙扩展互作用谐振腔包括五个耦合矩形波导与两个矩形谐振腔，耦合矩形波导的尺寸为w0、h0、l0，矩形谐振腔的尺寸为w1，h1，l1，如图2 所示。

图2 五间隙扩展互作用谐振腔结构示意图

结论

　　本文借助CST Microwave Studio 和MAGIC 设计了W 波段带状电子注扩展互作用速调管，模拟分析了扩展互作用谐振腔关键结构参数对特性阻抗、谐振频率以及器件稳定性的影响。采用两个完全相同且工作于2π 模式的五间隙扩展互作用谐振腔构建了W 波段带状注扩展互作用速调管，在电子注电压19. 5 kV，电子注电流3. 5 A 时，获得了大于8. 0 kW的输出功率、23 dB 的增益。本项工作对W 波段带状注扩展互作用速调管的设计，模拟分析以及性能探索具有重要意义，为带状注扩展互作用速调管的研究以及工程化打下了基础。