設(shè)計(jì)了一支Ka 波段二次諧波回旋速調(diào)管放大器, 并利用基于廣義電報(bào)方程的時(shí)域自洽非線性理論模型, 對(duì)設(shè)計(jì)的回旋速調(diào)管進(jìn)行了數(shù)值模擬。詳細(xì)分析了工作電流、橫縱速度比和磁場(chǎng)等參數(shù)對(duì)放大器輸出功率、增益和效率的影響, 得到了最佳的工作參數(shù)。模擬結(jié)果表明, 在電子注電壓70 kV, 電流15 A, 磁場(chǎng)0.675 T 附近, 可以獲得大于250 kW 的輸出功率,近26%的效率和440 MHz 的帶寬。

　　回旋速調(diào)管放大器作為一種高功率、高效率和高增益, 并有一定的帶寬的相干毫米波源, 在微波武器、高功率雷達(dá)、高能粒子加速器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。在相同工作頻率下, 高次諧波回旋速調(diào)管所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度是基波的1/ s ( s 是諧波次數(shù)) 。高次諧波工作能降低工作磁場(chǎng), 從而大大減少系統(tǒng)的重量和體積。

　　目前, 俄羅斯和美國(guó)等歐美國(guó)家都極力發(fā)展高次諧波回旋速調(diào)管放大器。俄羅斯研制的TE021模兩腔回旋速調(diào)管在35 GHz, 電子注電壓60kV, 電流13.5 A 的情況下, 獲得了125 kW 的輸出功率, 17% 的效率, 15 dB 增益和0.1% 的帶寬。美國(guó)的K 波段二次諧波兩腔回旋速調(diào)管在電子注電壓440 kV, 電流245 A 的情況下, 獲得了21MW 的輸出功率, 21% 的效率, 25 dB 增益。中國(guó), 研究回旋速調(diào)管的單位主要有電子科技大學(xué)和中科院電子所等。中科院電子所近年來(lái)在諧波回旋速調(diào)管方面做了大量的模擬研究工作, 并開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn) ;電子科技大學(xué)在高次諧波回旋管及基波回旋速調(diào)管方面做了大量的研究工作, 并取得了一系列成果。

　　針對(duì)高次諧波回旋速調(diào)管的研究意義, 本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了一支Ka 波段二次諧波三腔回旋速調(diào)管放大器。利用基于廣義電報(bào)方程的時(shí)域自洽非線性理論模型, 對(duì)設(shè)計(jì)的Ka 波段二次諧波回旋速調(diào)管放大器進(jìn)行了數(shù)值模擬, 研究了電子注電壓、電流、工作磁場(chǎng)等參數(shù)對(duì)效率、輸出功率與帶寬的影響, 對(duì)放大器的工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì), 得到了最優(yōu)的工作參數(shù), 實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。

回旋速調(diào)管放大器的設(shè)計(jì)

　　本文對(duì)文獻(xiàn)提供的Ka 波段,TE021模二次諧波三腔回旋速調(diào)管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)目標(biāo)是: 大于250 kW 的峰值輸出功率, 大于25% 的效率和30dB 的增益, 超過(guò)1% 的帶寬。文獻(xiàn)提供的二次諧波三腔回旋速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)見(jiàn)表1,MAGIC 模擬獲得了249 kW 的輸出功率, 23.71% 的效率和22.5 dB 的增益。

　　表1 三腔回旋速調(diào)管放大器結(jié)構(gòu)參數(shù)和主要工作參數(shù)

結(jié)論

　　本文利用基于廣義電報(bào)方程的時(shí)域自洽非線性理論模型, 設(shè)計(jì)并模擬了一支Ka 波段二次諧波三腔回旋速調(diào)管放大器。研究了電子注電壓、電流及工作磁場(chǎng)、頻率等工作參數(shù)對(duì)放大器的影響。在電子注電壓70 kV, 注電流15 A, 工作頻率34.92 GHz,電子注橫縱速度比1.45, 工作磁場(chǎng)0.675 T 時(shí), 獲得飽和輸出功率282 kW, 電子效率26.8%, 增益31dB, 達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)。并對(duì)設(shè)計(jì)的回旋速調(diào)管放大器用MAGIC 軟件進(jìn)行了模擬驗(yàn)證, 其結(jié)果要優(yōu)于文獻(xiàn)。