設(shè)計了一支Ka 波段二次諧波回旋速調(diào)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(shè)計的回旋速調(diào)管進行了數(shù)值模擬。詳細分析了工作電流、橫縱速度比和磁場等參數(shù)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(shù)。模擬結(jié)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(diào)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(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。在相同工作頻率下, 高次諧波回旋速調(diào)管所需的磁場強度是基波的1/ s ( s 是諧波次數(shù)) 。高次諧波工作能降低工作磁場, 從而大大減少系統(tǒng)的重量和體積。

　　目前, 俄羅斯和美國等歐美國家都極力發(fā)展高次諧波回旋速調(diào)管放大器。俄羅斯研制的TE021模兩腔回旋速調(diào)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(diào)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(diào)管的單位主要有電子科技大學(xué)和中科院電子所等。中科院電子所近年來在諧波回旋速調(diào)管方面做了大量的模擬研究工作, 并開展了相關(guān)的實驗 ;電子科技大學(xué)在高次諧波回旋管及基波回旋速調(diào)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(diào)管的研究意義, 本文優(yōu)化設(shè)計了一支Ka 波段二次諧波三腔回旋速調(diào)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(shè)計的Ka 波段二次諧波回旋速調(diào)管放大器進行了數(shù)值模擬, 研究了電子注電壓、電流、工作磁場等參數(shù)對效率、輸出功率與帶寬的影響, 對放大器的工作參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計, 得到了最優(yōu)的工作參數(shù), 實現(xiàn)了優(yōu)化目標。

回旋速調(diào)管放大器的設(shè)計

　　本文對文獻提供的Ka 波段,TE021模二次諧波三腔回旋速調(diào)管進行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)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(diào)管的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)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(diào)管放大器結(jié)構(gòu)參數(shù)和主要工作參數(shù)

結(jié)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(shè)計并模擬了一支Ka 波段二次諧波三腔回旋速調(diào)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(shù)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(shè)計的目標。并對設(shè)計的回旋速調(diào)管放大器用MAGIC 軟件進行了模擬驗證, 其結(jié)果要優(yōu)于文獻。