94GHz渐变复合腔回旋管的设计与实验

　　根据注-波互作用自洽非线性理论，设计了一种二次谐波回旋管的渐变复合腔结构，并进行了数值模拟;通过采用波纹波导结构和不同的相位重匹配技术进行优化分析，设计了一种94GHz波纹波导模式转换器;根据模拟计算结果研制出了94GHz渐变复合腔二次谐波回旋管。实际测试的结果表明：所研制的回旋管在电子注电压50kV，电流8.8A，工作磁场1.56T时工作频率为94.2GHz，峰值输出功率为115kW，平均输出功率为3kW，效率为26%。

　　毫米波波束窄、分辨能力强、方向性强、能量密度大、抗干扰能力强，在高分辨率雷达、卫星通信、导弹末端制导、电子对抗、毫米波辐射武器、电磁能量定向传输等领域具有突出的优点，尤其是高功率毫米波。因而，对产生高功率毫米波的高功率毫米波源的研制尤为重要，已经引起国际上的普遍重视。94GHz是毫米波传播的大气窗口之一，目前国内在这一频段的高功率微波发射系统的研制工作还处于起步阶段，与国际先进水平尚有较大差距。在频段上，与毫米波源较接近的有传统微波管和激光器两个领域。

　　传统微波管的工作频率与其高频系统的尺寸具有共度性，所以当传统微波管向毫米波等更高的频段发展时，其高频系统的尺寸越来越小，以至于无法加工制造;同时，由于高频结构尺寸过小，允许通过的电子流很小，从而使得传统微波管在毫米波段的功率容量受到很大限制;激光器虽然在更高的频段实现了电磁辐射，但是当它向毫米波段扩展时，工作效率将急剧下降，以至于不可实用。因此，传统微波管和激光器向毫米波段的扩展各自遇到了原则性的困难，而基于电子回旋谐振受激辐射机理研制的回旋管则成功地克服了这一困难。本文对工作频率在94GHz的回旋管进行研制，并给出实际测试结果。

1、渐变复合腔的结构设计

　　如图1所示，本文所设计的渐变复合腔由腔体I和腔体II两个部分构成，其中腔体I工作于较低阶模式，腔体II工作于较高阶模式。两个腔体通过它们之间的过渡段产生耦合，适当选择复合腔的尺寸，可以使复合腔工作在单一的谐振模式对TEmn -TEmn $(n$>n)而无其它寄生谐振模式对。在复合腔的第I腔中，电子注与TEmn的驻波场作用而产生预群聚，并在第II腔中优先激励起TEmn $ 模，并与之互作用，产生高频振荡。

图1　渐变复合腔结构示意图

结论

　　本文通过对渐变复合腔回旋管高频系统和模式变换器的理论分析和数值模拟，研制出了工作在94GHz的二次谐波渐变复合腔回旋管，其实物如图5所示。实验所得结果表明：所制的回旋管在电子注电压50kV，电流8.8A，工作磁场1.56T时工作频率为94.2GHz，峰值输出功率为115kW，平均输出功率为3kW，效率为26%。

图5　94GHz渐变复合腔回旋管实物