以同軸腔高功率多注速調管為研究對象，以大信號程序KLY 及PIC 粒子模擬軟件對其多電子注- 波互作用系統開展了一維初始設計、二維等效設計及全三維模擬設計。通過采用二次諧波腔技術及參數優化，使同軸腔注- 波互作用系統達到了70%以上的計算效率。與傳統長漂移管方案注- 波互作用系統相比，二次諧波腔方案不僅可以獲得較高的注- 波互作用效率，并且其系統長度可比傳統方案縮短35%，有利于器件小型化。文中給出了以單通道圓柱腔代替多通道同軸腔的注- 波互作用系統二維等效快速計算方法，與一維及三維計算結果的對比表明，這種方法具有較高的計算精度。

　　速調管作為經典的大功率微波電真空器件，在高能加速器、自由電子激光器領域有著廣泛的應用。傳統單注速調管可以獲得較高的輸出功率,但其過高的工作電壓會帶來高壓擊穿、輻射增強以及電源調制器復雜、笨重等一系列問題，其大工作電流會產生強空間電荷作用力，使電子注聚焦困難，噪聲和陰極負載增加以及效率降低。

　　多注速調管采用多個電子注并聯工作，可以在較低的電壓下獲得較大的電子注電流及導流系數,從而顯著降低管子的工作電壓。隨著計算機技術的發展，具備了三維設計手段，采用同軸諧振腔及高次模諧振腔的新型高功率多注速調管得到了發展。采用同軸諧振腔或高次模諧振腔可以把腔體的體積做得較大，這一方面增加了腔體本身的功率容量，另一方面，電子注不再集中于諧振腔中心通過，增加了陰極的發射面積，可在較低陰極負載情況下大幅增加工作電流，從而提高束流功率水平。由高頻諧振腔經過合理排布組成的注-波互作

　　用系統是速調管中電子注與電磁場進行能量轉換的關鍵組件，其設計特性對速調管的效率、增益和帶寬等性能具有決定性影響。采用了同軸腔或高次模腔的高功率多注速調管為非對稱結構，其注-波互作用系統的設計具有一定難度。一維注-波互作用程序雖可對其進行計算，但計算精度不高，適于初始設計。而三維注-波互作用軟件計算時間較長，難以用其直接進行大計算量的三維優化設計。

　　本文以L 波段10 mW 同軸腔多注速調管為研究對象，以一維大信號程序KLY、PIC 粒子模擬軟件對其注-波互作用系統開展了一維、二維、三維模擬設計。以一維程序計算獲得系統初始參數，以單通道圓柱腔代替多通道同軸腔的等效模擬方法進行二維優化計算，然后以三維計算驗證計算精度。設計中采用二次諧波腔技術并通過諧振腔高頻參數及排布方式的優化來獲得較高的注-波互作用效率。

1、L 波段10 MW多注速調管工作參數

　　本文所研究的L 波段高功率多注速調管整管參數如表1 所示。其工作頻率1300 MHz，峰值功率10mW，工作電壓115 kV，總工作電流132 A，速調管共6 個電子注，每個電子注電流為22 A，電子注排布方式如圖1 所示。速調管采用了如圖2 所示的同軸諧振腔，工作在TM01基模。基模同軸腔的優點是其體積較大，為旁軸多電子注的產生及傳輸提供了充足的空間，并且，其基模工作方式可以最大程度上避免雜模震蕩問題。

表1 L 波段10 mW 多注速調管參數

圖1 多注電子槍排布圖　圖2 6 注同軸諧振腔

結論

　　本文對L 波段10 mW 多注速調管同軸腔注-波互作用系統開展一維、二維及三維模擬計算，計算表明: 采用二次諧波腔方案的同軸腔注-波互作用系統不僅可以獲得較高的轉換效率，并且相對于長漂移管方案系統長度顯著縮短，有利于器件小型化。采用單注圓柱諧振腔替代多注同軸腔對多注注-波互作用系統進行單注等效模擬計算，通過與一維及全三維模擬結果的比較，驗證了這種方法的可行性，為高功率多注速調管注-波互作用系統的模擬設計提供了一種快速有效的計算方法。