Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的优化设计与分析
设计了一支Ka 波段二次谐波回旋速调管放大器, 并利用基于广义电报方程的时域自洽非线性理论模型, 对设计的回旋速调管进行了数值模拟。详细分析了工作电流、横纵速度比和磁场等参数对放大器输出功率、增益和效率的影响, 得到了最佳的工作参数。模拟结果表明, 在电子注电压70 kV, 电流15 A, 磁场0.675 T 附近, 可以获得大于250 kW 的输出功率,近26%的效率和440 MHz 的带宽。
回旋速调管放大器作为一种高功率、高效率和高增益, 并有一定的带宽的相干毫米波源, 在微波武器、高功率雷达、高能粒子加速器等领域具有重要的应用。在相同工作频率下, 高次谐波回旋速调管所需的磁场强度是基波的1/ s ( s 是谐波次数) 。高次谐波工作能降低工作磁场, 从而大大减少系统的重量和体积。
目前, 俄罗斯和美国等欧美国家都极力发展高次谐波回旋速调管放大器。俄罗斯研制的TE021模两腔回旋速调管在35 GHz, 电子注电压60kV, 电流13.5 A 的情况下, 获得了125 kW 的输出功率, 17% 的效率, 15 dB 增益和0.1% 的带宽。美国的K 波段二次谐波两腔回旋速调管在电子注电压440 kV, 电流245 A 的情况下, 获得了21MW 的输出功率, 21% 的效率, 25 dB 增益。中国, 研究回旋速调管的单位主要有电子科技大学和中科院电子所等。中科院电子所近年来在谐波回旋速调管方面做了大量的模拟研究工作, 并开展了相关的实验 ;电子科技大学在高次谐波回旋管及基波回旋速调管方面做了大量的研究工作, 并取得了一系列成果。
针对高次谐波回旋速调管的研究意义, 本文优化设计了一支Ka 波段二次谐波三腔回旋速调管放大器。利用基于广义电报方程的时域自洽非线性理论模型, 对设计的Ka 波段二次谐波回旋速调管放大器进行了数值模拟, 研究了电子注电压、电流、工作磁场等参数对效率、输出功率与带宽的影响, 对放大器的工作参数进行了优化设计, 得到了最优的工作参数, 实现了优化目标。
回旋速调管放大器的设计
本文对文献提供的Ka 波段,TE021模二次谐波三腔回旋速调管进行优化设计。设计目标是: 大于250 kW 的峰值输出功率, 大于25% 的效率和30dB 的增益, 超过1% 的带宽。文献提供的二次谐波三腔回旋速调管的结构和工作参数见表1,MAGIC 模拟获得了249 kW 的输出功率, 23.71% 的效率和22.5 dB 的增益。
表1 三腔回旋速调管放大器结构参数和主要工作参数
结论
本文利用基于广义电报方程的时域自洽非线性理论模型, 设计并模拟了一支Ka 波段二次谐波三腔回旋速调管放大器。研究了电子注电压、电流及工作磁场、频率等工作参数对放大器的影响。在电子注电压70 kV, 注电流15 A, 工作频率34.92 GHz,电子注横纵速度比1.45, 工作磁场0.675 T 时, 获得饱和输出功率282 kW, 电子效率26.8%, 增益31dB, 达到了设计的目标。并对设计的回旋速调管放大器用MAGIC 软件进行了模拟验证, 其结果要优于文献。
