帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管通過(guò)采用寬高比值很大的帶狀電子注來(lái)降低空間電荷效應(yīng)，采用多間隙結(jié)構(gòu)來(lái)增加功率容量，是一種高頻率、高功率的微波真空放大器件。本文利用CST Microwave Studio 與MAGIC 設(shè)計(jì)了2π 模W 波段帶狀注五間隙擴(kuò)展互作用諧振腔，重點(diǎn)研究了五間隙諧振腔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振腔特性阻抗與諧振頻率的影響，并對(duì)器件穩(wěn)定性與帶狀注雙腔速調(diào)管注波互作用特性進(jìn)行了三維MAGIC 仿真與分析。最后，在電子注電壓為19. 5 kV，電流為3. 5 A 時(shí)，獲得大于8 kW 的輸出功率、23 dB 左右的增益。

　　采用帶狀電子注技術(shù)可以在高工作頻率下獲得較高的輸出功率。將帶狀電子注技術(shù)運(yùn)用于速調(diào)管、行波管、返波管等多種真空電子器件中，極大地豐富和拓展了帶狀注器件的應(yīng)用。其中，帶狀注速調(diào)管通過(guò)采用寬高比較大的薄矩形截面帶狀電子注代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓柱形電子注，從而降低了電子注的空間電荷效應(yīng)，可使其工作于毫米波及太赫茲頻段，可獲得高功率輸出的新型微波真空電子器件。帶狀注速調(diào)管的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 帶狀注速調(diào)管的典型結(jié)構(gòu)示意圖

　　帶狀注速調(diào)管的概念于1938 年由俄羅斯的Kovalenko 首次提出。此后60 多年里，美國(guó)、法國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家對(duì)這種器件的理論和仿真設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了廣泛研究。然而，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)條件與應(yīng)用需求限制了器件的發(fā)展。近年來(lái)，隨著電子系統(tǒng)微波源向著高頻率和高功率方向發(fā)展，帶狀注速調(diào)管憑借自身優(yōu)勢(shì)重新獲得關(guān)注和發(fā)展。

　　20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，國(guó)際上多家研究機(jī)構(gòu)( 如美國(guó)的SLAC、NRL，德國(guó)的柏林技術(shù)大學(xué)( TU-Berlin)等) 對(duì)帶狀注速調(diào)管進(jìn)行了深入研究，成功研制了X 波段和W 波段帶狀注速調(diào)管。為了進(jìn)一步挖掘帶狀注速調(diào)管的潛能，發(fā)展了具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、工作電壓低、帶寬寬和功率高等優(yōu)點(diǎn)的帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室NRL 設(shè)計(jì)了91 GHz 帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管，在帶狀電子注寬高比為19，工作電壓19. 5 kV，工作電流3. 0 A，獲得10. 5 kW 輸出峰值功率， 21. 7 dB 增益與18%的效率; NRL 設(shè)計(jì)的220 GHz 帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管，在帶狀電子注寬高比為19，工作電壓為16. 50 kV，工作電流為520 mA，聚焦磁場(chǎng)為0. 9 T 時(shí)，獲得了453 W 輸出功率與42. 6 dB 的增益。發(fā)展帶狀注器件必須攻克帶狀電子注的長(zhǎng)距離穩(wěn)定傳輸、過(guò)模非對(duì)稱(chēng)高頻結(jié)構(gòu)以及高效率注波互作用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這些方面開(kāi)展了大量研究。形成了兩類(lèi)主要的帶狀電子注成形方式: 直接成形帶狀電子注; 將圓形電子注通過(guò)磁場(chǎng)壓縮成帶狀電子注。在帶狀電子注的聚焦與傳輸方面，可以采用均勻場(chǎng)聚焦或周期永磁聚焦系統(tǒng)。高頻結(jié)構(gòu)及注波互作用系統(tǒng)

　　的研究主要集中于理論體系及分析方法的建立以及模擬仿真方面。本文主要利用電磁模擬軟件CST Microwave Studio 和粒子模擬軟件MAGIC 設(shè)計(jì)W 波段帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管，重點(diǎn)研究了五間隙諧振腔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振腔特性阻抗與諧振頻率的影響，并對(duì)帶狀注雙腔速調(diào)管的注波互作用特性進(jìn)行了三維MAGIC 仿真與器件穩(wěn)定性分析。最后，在電子注電壓為19. 5 kV，電子注電流為3. 5 A 時(shí)，獲得了大于8. 0 kW 的輸出功率與23 dB 的增益。

總體設(shè)計(jì)

　　根據(jù)文獻(xiàn)，初步確定W 波段帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管采用兩個(gè)TM110模五間隙擴(kuò)展互作用諧振腔，其具體工作參數(shù)與腔體參數(shù)見(jiàn)表1 和表2。

表1 W 波段帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管工作參數(shù)

表2 W 波段帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管腔體參數(shù)

擴(kuò)展互作用諧振腔設(shè)計(jì)

　　W 波段帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管采用五間隙擴(kuò)展互作用諧振腔。采用多間隙結(jié)構(gòu)，在相同頻率下具有比單間隙結(jié)構(gòu)更高的功率容量，從而進(jìn)一步提高注波互作用效率和輸出功率。五間隙擴(kuò)展互作用諧振腔包括五個(gè)耦合矩形波導(dǎo)與兩個(gè)矩形諧振腔，耦合矩形波導(dǎo)的尺寸為w0、h0、l0，矩形諧振腔的尺寸為w1，h1，l1，如圖2 所示。

圖2 五間隙擴(kuò)展互作用諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)論

　　本文借助CST Microwave Studio 和MAGIC 設(shè)計(jì)了W 波段帶狀電子注擴(kuò)展互作用速調(diào)管，模擬分析了擴(kuò)展互作用諧振腔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)特性阻抗、諧振頻率以及器件穩(wěn)定性的影響。采用兩個(gè)完全相同且工作于2π 模式的五間隙擴(kuò)展互作用諧振腔構(gòu)建了W 波段帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管，在電子注電壓19. 5 kV，電子注電流3. 5 A 時(shí)，獲得了大于8. 0 kW的輸出功率、23 dB 的增益。本項(xiàng)工作對(duì)W 波段帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管的設(shè)計(jì)，模擬分析以及性能探索具有重要意義，為帶狀注擴(kuò)展互作用速調(diào)管的研究以及工程化打下了基礎(chǔ)。