帶狀注擴展互作用速調管通過采用寬高比值很大的帶狀電子注來降低空間電荷效應，采用多間隙結構來增加功率容量，是一種高頻率、高功率的微波真空放大器件。本文利用CST Microwave Studio 與MAGIC 設計了2π 模W 波段帶狀注五間隙擴展互作用諧振腔，重點研究了五間隙諧振腔關鍵結構參數對諧振腔特性阻抗與諧振頻率的影響，并對器件穩定性與帶狀注雙腔速調管注波互作用特性進行了三維MAGIC 仿真與分析。最后，在電子注電壓為19. 5 kV，電流為3. 5 A 時，獲得大于8 kW 的輸出功率、23 dB 左右的增益。

　　采用帶狀電子注技術可以在高工作頻率下獲得較高的輸出功率。將帶狀電子注技術運用于速調管、行波管、返波管等多種真空電子器件中，極大地豐富和拓展了帶狀注器件的應用。其中，帶狀注速調管通過采用寬高比較大的薄矩形截面帶狀電子注代替傳統的圓柱形電子注，從而降低了電子注的空間電荷效應，可使其工作于毫米波及太赫茲頻段，可獲得高功率輸出的新型微波真空電子器件。帶狀注速調管的典型結構示意圖如圖1 所示。

圖1 帶狀注速調管的典型結構示意圖

　　帶狀注速調管的概念于1938 年由俄羅斯的Kovalenko 首次提出。此后60 多年里，美國、法國和俄羅斯的科學家對這種器件的理論和仿真設計等方面進行了廣泛研究。然而，當時的設計條件與應用需求限制了器件的發展。近年來，隨著電子系統微波源向著高頻率和高功率方向發展，帶狀注速調管憑借自身優勢重新獲得關注和發展。

　　20 世紀90 年代以來，國際上多家研究機構( 如美國的SLAC、NRL，德國的柏林技術大學( TU-Berlin)等) 對帶狀注速調管進行了深入研究，成功研制了X 波段和W 波段帶狀注速調管。為了進一步挖掘帶狀注速調管的潛能，發展了具有體積小、重量輕、結構緊湊、工作電壓低、帶寬寬和功率高等優點的帶狀注擴展互作用速調管。美國海軍研究實驗室NRL 設計了91 GHz 帶狀注擴展互作用速調管，在帶狀電子注寬高比為19，工作電壓19. 5 kV，工作電流3. 0 A，獲得10. 5 kW 輸出峰值功率， 21. 7 dB 增益與18%的效率; NRL 設計的220 GHz 帶狀注擴展互作用速調管，在帶狀電子注寬高比為19，工作電壓為16. 50 kV，工作電流為520 mA，聚焦磁場為0. 9 T 時，獲得了453 W 輸出功率與42. 6 dB 的增益。發展帶狀注器件必須攻克帶狀電子注的長距離穩定傳輸、過模非對稱高頻結構以及高效率注波互作用系統的設計等一系列關鍵技術。國內外學者在這些方面開展了大量研究。形成了兩類主要的帶狀電子注成形方式: 直接成形帶狀電子注; 將圓形電子注通過磁場壓縮成帶狀電子注。在帶狀電子注的聚焦與傳輸方面，可以采用均勻場聚焦或周期永磁聚焦系統。高頻結構及注波互作用系統

　　的研究主要集中于理論體系及分析方法的建立以及模擬仿真方面。本文主要利用電磁模擬軟件CST Microwave Studio 和粒子模擬軟件MAGIC 設計W 波段帶狀注擴展互作用速調管，重點研究了五間隙諧振腔關鍵結構參數對諧振腔特性阻抗與諧振頻率的影響，并對帶狀注雙腔速調管的注波互作用特性進行了三維MAGIC 仿真與器件穩定性分析。最后，在電子注電壓為19. 5 kV，電子注電流為3. 5 A 時，獲得了大于8. 0 kW 的輸出功率與23 dB 的增益。

總體設計

　　根據文獻，初步確定W 波段帶狀注擴展互作用速調管采用兩個TM110模五間隙擴展互作用諧振腔，其具體工作參數與腔體參數見表1 和表2。

表1 W 波段帶狀注擴展互作用速調管工作參數

表2 W 波段帶狀注擴展互作用速調管腔體參數

擴展互作用諧振腔設計

　　W 波段帶狀注擴展互作用速調管采用五間隙擴展互作用諧振腔。采用多間隙結構，在相同頻率下具有比單間隙結構更高的功率容量，從而進一步提高注波互作用效率和輸出功率。五間隙擴展互作用諧振腔包括五個耦合矩形波導與兩個矩形諧振腔，耦合矩形波導的尺寸為w0、h0、l0，矩形諧振腔的尺寸為w1，h1，l1，如圖2 所示。

圖2 五間隙擴展互作用諧振腔結構示意圖

結論

　　本文借助CST Microwave Studio 和MAGIC 設計了W 波段帶狀電子注擴展互作用速調管，模擬分析了擴展互作用諧振腔關鍵結構參數對特性阻抗、諧振頻率以及器件穩定性的影響。采用兩個完全相同且工作于2π 模式的五間隙擴展互作用諧振腔構建了W 波段帶狀注擴展互作用速調管，在電子注電壓19. 5 kV，電子注電流3. 5 A 時，獲得了大于8. 0 kW的輸出功率、23 dB 的增益。本項工作對W 波段帶狀注擴展互作用速調管的設計，模擬分析以及性能探索具有重要意義，為帶狀注擴展互作用速調管的研究以及工程化打下了基礎。