W波段回旋速调管放大器的优化设计与分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学高能电子学研究所 作者:欧超健

  在模式场匹配理论和注波互作用非线性理论的基础上,对TE01模W 波段回旋速调管冷腔模型进行了模拟分析,通过分析结果建立了4腔高频系统粒子模拟模型,并对其注波互作用进行了详细分析、计算,优化得到在注电压为75kV,注电流为15A,磁场为3.29T,输入功率为72W,纵横速度比α为1.5时,输出功率为362kW,效率超过32%,增益为37dB的设计模型。

  回旋速调管是一种快波器件,属回旋管家族中的一员,具有高功率、高效率、高增益及一定带宽等特点,适合作毫米波高性能雷达、相控阵雷达、毫米波通信、受控热核聚变等系统的功率源,广泛应用于通信、雷达、电子对抗、等离子体加热及材料处理等领域,具有广阔的发展前景,越来越受到人们的重视。

  由于毫米波应用系统的需要,目前回旋速调管放大器的发展主要集中在Ka波段和W 波段两个大气窗口,对应的工作频率分别为35GHz和94GHZ。作为两个大气窗口之一,由于W 波段微波能够穿透电离层,具有独特的传输特性,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)使得使得W 波段回旋速调管的研究对军事领域具有尤其重要的意义。

  但是随着频率的提高,该波段较之Ka波段的回旋速调管具有尺寸更小并且加工精度更高等特点,而且尺寸变小使得放大器的功率容量变小,这些都对W 波段回旋速调管的研究提出了更高的要求。

  本文首先根据场匹配理论建立了W 波段回旋速调管高频结构的计算模型,并利用高频仿真软件进行优化设计,使其在W 波段获得了高纯度的工作模式。然后根据冷腔设计得到的模型,利用MAGIC粒子模拟软件对其注-波互作用过程进行数值模拟研究,详细分析了漂移段长度、电子注电流和注电压、横纵速度比等参数对输出功率、效率的影响。

  1、理论分析

  回旋速调放大器的圆柱谐振腔为两端开孔的突变结构谐振腔,其高频场的分布以及谐振频率和Q值的计算是一项非常重要的内容,我们利用模式展开与场匹配理论对谐振腔体进行了分析。如图1所示,腔体由两个突变结构组成,下标1和2表示腔体的左右部分。假设波导突变端两侧都存在一系列的入射波,反射波,其中F1、F2分别表示I区,II区的入射波的电场幅值;B1、B2分别表示I区,II区中反射波的电场幅值;ei1、ei2分别表示I区,II区中归一化电矢量波函数;hi1、hj2分别表示I区,II区中归一化磁矢量波函数;Zi1、Zj2分别表示I区,II区的特性阻抗。

具有突变结构的谐振腔传输模式图

图1 具有突变结构的谐振腔传输模式图

  4、结论

  本文采用理论分析与高频仿真软件相结合的方法对W 波段回旋速调管的高频结构进行了全面的研究分析,并对输入腔、群聚腔和输出腔进行了优化设计。根据优化得到的冷腔尺寸模型,利用三维粒子模拟软件MAGIC 设计了一个工作于W 波段TE01模的四腔回旋速调管,详细分析了漂移段长度、电子注电流和注电压、横纵速度比等参数对输出功率、效率的影响。在注电压为75kV,注电流为15A,磁场为3.29T,输入功率为72W,纵横速度比α为1.5时,输出功率为362kW,效率超过32.%,增益为37dB。此设计方案可供3mm 回旋速调管的研制提供有利参考。

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