W波段回旋速調管放大器的優化設計與分析

速調管 歐超健 電子科技大學高能電子學研究所

  在模式場匹配理論和注波互作用非線性理論的基礎上,對TE01模W 波段回旋速調管冷腔模型進行了模擬分析,通過分析結果建立了4腔高頻系統粒子模擬模型,并對其注波互作用進行了詳細分析、計算,優化得到在注電壓為75kV,注電流為15A,磁場為3.29T,輸入功率為72W,縱橫速度比α為1.5時,輸出功率為362kW,效率超過32%,增益為37dB的設計模型。

  回旋速調管是一種快波器件,屬回旋管家族中的一員,具有高功率、高效率、高增益及一定帶寬等特點,適合作毫米波高性能雷達、相控陣雷達、毫米波通信、受控熱核聚變等系統的功率源,廣泛應用于通信、雷達、電子對抗、等離子體加熱及材料處理等領域,具有廣闊的發展前景,越來越受到人們的重視。

  由于毫米波應用系統的需要,目前回旋速調管放大器的發展主要集中在Ka波段和W 波段兩個大氣窗口,對應的工作頻率分別為35GHz和94GHZ。作為兩個大氣窗口之一,由于W 波段微波能夠穿透電離層,具有獨特的傳輸特性,真空技術網(http://www.9334467.live/)使得使得W 波段回旋速調管的研究對軍事領域具有尤其重要的意義。

  但是隨著頻率的提高,該波段較之Ka波段的回旋速調管具有尺寸更小并且加工精度更高等特點,而且尺寸變小使得放大器的功率容量變小,這些都對W 波段回旋速調管的研究提出了更高的要求。

  本文首先根據場匹配理論建立了W 波段回旋速調管高頻結構的計算模型,并利用高頻仿真軟件進行優化設計,使其在W 波段獲得了高純度的工作模式。然后根據冷腔設計得到的模型,利用MAGIC粒子模擬軟件對其注-波互作用過程進行數值模擬研究,詳細分析了漂移段長度、電子注電流和注電壓、橫縱速度比等參數對輸出功率、效率的影響。

  1、理論分析

  回旋速調放大器的圓柱諧振腔為兩端開孔的突變結構諧振腔,其高頻場的分布以及諧振頻率和Q值的計算是一項非常重要的內容,我們利用模式展開與場匹配理論對諧振腔體進行了分析。如圖1所示,腔體由兩個突變結構組成,下標1和2表示腔體的左右部分。假設波導突變端兩側都存在一系列的入射波,反射波,其中F1、F2分別表示I區,II區的入射波的電場幅值;B1、B2分別表示I區,II區中反射波的電場幅值;ei1、ei2分別表示I區,II區中歸一化電矢量波函數;hi1、hj2分別表示I區,II區中歸一化磁矢量波函數;Zi1、Zj2分別表示I區,II區的特性阻抗。

具有突變結構的諧振腔傳輸模式圖

圖1 具有突變結構的諧振腔傳輸模式圖

  4、結論

  本文采用理論分析與高頻仿真軟件相結合的方法對W 波段回旋速調管的高頻結構進行了全面的研究分析,并對輸入腔、群聚腔和輸出腔進行了優化設計。根據優化得到的冷腔尺寸模型,利用三維粒子模擬軟件MAGIC 設計了一個工作于W 波段TE01模的四腔回旋速調管,詳細分析了漂移段長度、電子注電流和注電壓、橫縱速度比等參數對輸出功率、效率的影響。在注電壓為75kV,注電流為15A,磁場為3.29T,輸入功率為72W,縱橫速度比α為1.5時,輸出功率為362kW,效率超過32.%,增益為37dB。此設計方案可供3mm 回旋速調管的研制提供有利參考。