分析了單注折疊波導行波管增益和帶寬的限制因素，提出了采用雙注結構提高單位長度增益和拓寬帶寬的方法。模擬結果表明，在工作電壓和單注電流相同的情況下，采用同速雙注(兩電子注速度相同)可將高頻互作用系統飽和輸出功率提升至單注時的2.8倍，互作用效率提高了1.4倍，增益飽和長度縮短了5個幾何周期;采用非同速雙注可在更寬的頻率范圍內滿足同步條件，展寬了帶寬。設計了一工作頻率為25～29.5GHz的寬帶折疊波導行波管，3dB增益帶寬可達到16.5%，約占冷帶寬(12GHz，22～34GHz)的38%，輸出功率在27GHz時達到最大為256W。另外，文中對由電路內部反射引起的增益不穩定性進行了分析，并給出了解決方法。

　　行波管(TWT)是微波頻段應用最為廣泛的電真空器件之一，尤其螺旋線TWT因其具有色散特性平坦、頻帶寬等優點，已被廣泛應用于通信、電子對抗等微波電子系統，然而在短厘米和毫米波段螺旋線TWT的功率容量低、損耗大、散熱困難，耦合腔TWT雖然能在毫米波段實現高功率輸出但其頻帶窄。折疊波導是一種新型慢波結構，因其同時具備了頻帶寬、功率容量大、散熱性能好且其結構簡單、機械強度高、輸入/輸出耦合簡單、高頻損耗小等優點受到了國內外的廣泛關注;然而，研究發現傳統單注折疊波導TWT的耦合阻抗低，在達到飽和長度之前，可以通過增加慢波線的長度提高TWT的增益，但這會增加管子的整體尺寸和量，不利于真空器件的小型化。

　　折疊波導TWT的冷帶寬很寬，W波段可達到25%～30%，Q波段高達50%，但受到耦合阻抗和同步條件的雙重限制中心單注折疊波導TWT的3dB增益帶寬僅為10%左右，因此，提高增益帶寬占冷帶寬的比值是設計寬帶TWT的關鍵所在。本文對工作于基模的雙注折疊波導TWT進行了研究，結果表明：采用同速雙注結構可彌補常規單注折疊波導耦合阻抗低的缺點，大幅度提高了單位長度增益、飽和功率以及互作用效率，相應減小了器件體積和重量;非同速雙注能夠在更寬的頻率范圍內滿足同步條件，拓寬增益帶寬。

1、單注折疊波導TWT

　　折疊波導通常由彎曲矩形波導電場面制成，如圖1所示。折疊波導TWT一般工作在基模，即類TE10模，在寬邊中心位置電場幅值達到最大，因此把電子注通道放在寬邊中心耦合阻抗最大，即使如此和螺旋線相比，常規折疊波導的耦合阻抗仍然較低，單位長度增益較小，考慮到折疊波導的高頻損耗小，在達到飽和長度之前可以增加慢波線長度提高增益，但這勢必會增加TWT的整體尺寸和重量;采用加載和脊波導形式可以提高折疊波導TWT的耦合阻抗，但帶寬犧牲很大，不適合用作寬帶TWT的慢波結構，另外，加載還會大幅度增強反射，增加了輸出功率的波動性甚至引起振蕩。采用TE10模假設、等效電路以及數值計算均可對折疊波導的高頻特性進行計算，但三種方法的精度不同，TE10方法忽略了電路的周期性因此無法給出有關禁帶的信息，等效電路方法雖然考慮了電路中不連續處對高頻場的周期性反射，然而該方法給出的禁帶位置和寬度誤差較大，數值計算方法能更精確的計算電子注通道和彎曲波導對折疊波導高頻特性的影響，因此本文利用三維電磁仿真軟件HFSS對折疊波導TWT的冷腔特性進行分析。各尺寸的選擇如下：a=6.8mm，b=0.7mm，h=2.5mm，p=2.0mm，r=0.5mm，其中a為矩形波導寬邊尺寸，b為矩形波導窄邊尺寸，h為直波導長度，p軸向周期長度，r電子注通道半徑。

圖1 單注折疊波導TWT示意圖

　　圖2給出了單注折疊波導歸一化相速度和耦合阻抗隨頻率的變化情況。從圖中可以看出，在低頻端耦合阻抗高，但耦合阻抗和歸一化相速度隨頻率變化劇烈;在高頻端相速度曲線變得平坦，但耦合阻抗低且隨頻率增高持續下降。圖3是用MAGIC3D軟件計算得到的單注折疊波導TWT的輸出功率曲線，模擬中互作用電路長度為33周期(131mm)，工作電流150mA，輸入功率1.3W，電子注半徑0.3mm。圖3表明：①增大工作電壓有利于提高最大輸出功率，但最大輸出功率所對應的頻率向低頻端移動且輸出曲線變得更加陡峭，尤其是在低頻端。工作電壓高，電子注和低頻電磁波能更好的滿足同步條件，可以充分利用折疊波導在低頻端耦合阻抗大的優點提高輸出功率，因此，隨著電壓升高最大輸功率增大且對應頻率左移，但低頻端相速度隨頻率變化劇烈，最佳同步只能在較窄的頻率范圍內實現，使得輸出曲線更加陡峭。②在高頻端輸出功率隨頻率的增加平緩下降，造成這一現象的主要原因是耦合阻抗隨頻率的升高而持續下降。根據上述分析可知，限制單電子注折疊波導TWT增益的主要因素是耦合阻抗低，而其帶寬則受耦合阻抗和同步條件的共同限制。為了突破折疊波導冷腔特性對其增益和帶寬的限制，本文采用對稱分布的雙注結構。

圖2 單注折疊波導的高頻特性

圖3 單注折疊波導TWT輸出曲線

4、結論

　　本文對限制單注折疊波導TWT增益和帶寬的因素進行了詳細的分析，提出采用雙電子注折疊波導結構提高增益和拓展帶寬的方法，并通過仿真計算驗證了該方法的可行性。計算結果表明，同速雙注可以彌補折疊波導耦合阻抗較低的缺點，尤其是在低頻端極大地提高了單位長度增益，因此在滿足輸出功率的前提下可縮短互作用電路長度;非同速雙注可以在更寬的頻范圍內滿足同步條件，有效的拓寬了增益帶寬，提高了冷帶寬的利用率。另外文中對由電路內部反射引起的增益不穩定性進行了分析，并指出通過減小電子注通道半徑和增加波導窄邊寬度均可以減小內部反射，擴展TWT的工作帶寬。模擬中使用的模型結構完整并考慮了切斷和損耗對TWT放大特性的影響對實際制管有一定的指導意義。