回旋返波管作為一種頻率可調諧的大功率太赫茲輻射源器件，具有較好的實用前景。本文根據回旋返波管線性理論設計了一只中心工作頻率在0.22THz的準光波導回旋返波管，采用自主研發的三維粒子模擬軟件CHIPIC對其進行數值模擬研究，分析其工作特性。仿真結果表明：所設計的回旋返波管可獲得14kW 的峰值功率輸出，輸出功率大于5kW 時調諧帶寬大于1GHz。

　　太赫茲科學技術作為一門新興的學科，自誕生以來由于其廣闊的應用前景從而受到普遍的重視，發展形勢迅速。太赫茲源作為太赫茲技術發展的基礎，一直被人們看著是太赫茲科學技術發展前進過程中的重點。電子回旋脈塞作為一種重要的毫米波-太赫茲輻射源器件，在等離子體加熱、受控核聚變、等離子體診斷、毫太赫茲雷達、通信及電子對抗、工業加工等方面有著十分重要的應用前景，近30年一直受到各國研究者的廣泛關注。

　　電子回旋脈塞是一種快波器件，其工作原理基于電子在磁場中的回旋諧振受激輻射機理，不需要像傳統微波、毫米波真空電子器件那樣需要慢波系統，并且可在太赫茲波導中實現大功率輸出。目前俄羅斯應用物理研究所已研制出1THz以上頻率的電子回旋脈塞器件，我國電子科技大學也研制出0.22THz與0.42THz的電子回旋脈塞器件。

　　電子回旋脈塞器件主要有回旋單腔管、回旋速調管、回旋行波管以及回旋返波管等類型，其中回旋返波管作為一種具有調頻功能的器件，應用潛力十分遠大。但當器件的工作頻率逐漸升高時，為了解決尺寸共渡效應以及功率容量等問題，往往需要使用高次模作為工作模式，這就引入了模式競爭問題。在太赫茲頻段，由于器件的尺寸很小，模式競爭也就更加難以抑制，因此調諧性能嚴重下降，所以需研究新型結構的適用于太赫茲頻段的回旋返波管。

　　美國MIT提出采用一種準光結構作為回旋管的高頻結構，并采用該結構成功研制出0.14THz回旋單腔管與回旋行波管。本文采用這種準光結構設計了一只中心工作頻率0.22THz，工作模式為HE0　6模的準光波導回旋返波管，并利用自主研發的三維粒子模擬軟件CHIPIC對設計進行了模擬分析。

1、回旋返波管原理

　　回旋返波管(Gyro-Backward　wave　oscillator，Gyro-BWO)是在外加磁場引導的回旋電子注與高頻結構中電磁波的返波相互作用的一類電子回旋脈塞器件。回旋返波管的電子回旋諧振條件如下[4]：

ω-kzvz-sΩc =0， (1)

　　式中：s是諧波數，kz是縱向波數，ω 是波的角頻率;vz是電子的軸向速度，Ω=eB/(γ0m)是相對論電子回旋頻率，γ0=(1-β2)-1/2是相對論因子，v是電子速度，c是光速。

　　當回旋電子注通過高頻結構時，由于受到TE模E�紙龅淖饔茫�電子速度會發生變化，從而導致一部分電子處于加速狀態，一部分電子處于減速狀態，電子回旋頻率也會隨之變化。這種回旋頻率的變化進一步導致回旋軌道中相位的群聚。所以當波的多普勒漂移頻率略大于電子回旋頻率Ω 或其諧波頻率sΩ 時，高頻場使得大部分電子處于減速區，經過一段時間，回旋電子注在角向形成群聚，電子注交出能量，高頻場獲得能量，就形成了電子注與場的能量交換。耦合色散曲線如圖1表示了回旋返波管的工作點。

圖1　回旋返波管色散曲線

　　在回旋返波管中，工作頻率將隨著回旋電子注的色散曲線傾斜深度的不同而不同，這就是說，它是ν⊥的函數，從而也就是加速電壓V 的函數，因此，回旋返波管的震蕩頻率能在相當寬的頻率范圍內通過調整電壓來實現連續調諧。

結論

　　本文設計了一只中心工作頻率在0.22THz的準光波導回旋返波管，根據回旋管線性理論選取了工作參數，并采用自主研發的三維粒子模擬軟件CHIPIC對其進行了模擬分析。模擬結果表明：在B=8.4T，I=7A，#=1.5，L=21mm，V=40kV時，可獲得14kW 的峰值功率輸出和5%的效率，調節電壓35～50kV，頻率變化220.7～219.5GHz，輸出功率大于5kW，說明本文設計的回旋返波管具有大于1GHz的調諧帶寬，本文可為準光波導回旋器件的實驗與研發奠定了一定的基礎。