設計了一支Ka 波段二次諧波回旋速調管放大器, 并利用基于廣義電報方程的時域自洽非線性理論模型, 對設計的回旋速調管進行了數值模擬。詳細分析了工作電流、橫縱速度比和磁場等參數對放大器輸出功率、增益和效率的影響, 得到了最佳的工作參數。模擬結果表明, 在電子注電壓70 kV, 電流15 A, 磁場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、高能粒子加速器等領域具有重要的應用。在相同工作頻率下, 高次諧波回旋速調管所需的磁場強度是基波的1/ s ( s 是諧波次數) 。高次諧波工作能降低工作磁場, 從而大大減少系統的重量和體積。

　　目前, 俄羅斯和美國等歐美國家都極力發展高次諧波回旋速調管放大器。俄羅斯研制的TE021模兩腔回旋速調管在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。美國的K 波段二次諧波兩腔回旋速調管在電子注電壓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, 研究回旋速調管的單位主要有電子科技大學和中科院電子所等。中科院電子所近年來在諧波回旋速調管方面做了大量的模擬研究工作, 并開展了相關的實驗 ;電子科技大學在高次諧波回旋管及基波回旋速調管方面做了大量的研究工作, 并取得了一系列成果。

　　針對高次諧波回旋速調管的研究意義, 本文優化設計了一支Ka 波段二次諧波三腔回旋速調管放大器。利用基于廣義電報方程的時域自洽非線性理論模型, 對設計的Ka 波段二次諧波回旋速調管放大器進行了數值模擬, 研究了電子注電壓、電流、工作磁場等參數對效率、輸出功率與帶寬的影響, 對放大器的工作參數進行了優化設計, 得到了最優的工作參數, 實現了優化目標。

回旋速調管放大器的設計

　　本文對文獻提供的Ka 波段,TE021模二次諧波三腔回旋速調管進行優化設計。設計目標是: 大于250 kW 的峰值輸出功率, 大于25% 的效率和30dB 的增益, 超過1% 的帶寬。文獻提供的二次諧波三腔回旋速調管的結構和工作參數見表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 三腔回旋速調管放大器結構參數和主要工作參數

結論

　　本文利用基于廣義電報方程的時域自洽非線性理論模型, 設計并模擬了一支Ka 波段二次諧波三腔回旋速調管放大器。研究了電子注電壓、電流及工作磁場、頻率等工作參數對放大器的影響。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0.675 T 時, 獲得飽和輸出功率282 kW, 電子效率26.8%, 增益31dB, 達到了設計的目標。并對設計的回旋速調管放大器用MAGIC 軟件進行了模擬驗證, 其結果要優于文獻。