W波段擴(kuò)展互作用速調(diào)管高頻結(jié)構(gòu)的理論研究與數(shù)值模擬.pdf

1、毫米波的波長介于微波和光波之間,在雷達(dá)、通訊、科學(xué)研究等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。速調(diào)管具有增益高、效率高、功率高等優(yōu)點,是毫米波段重要的微波源之一。但是由于速調(diào)管的尺寸與頻率的共度效應(yīng),在毫米波段工作時存在高頻損耗大、功率容量低等問題。擴(kuò)展互作用速調(diào)管由于采用了多間隙耦合腔作為諧振腔,能夠解決傳統(tǒng)的單間隙速調(diào)管在毫米波段工作時遇到的這些問題。論文針對W波段擴(kuò)展互作用速調(diào)管進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬。
　　分析了采用多間隙耦合腔提高速

2、調(diào)管注波互作用效率的原因。根據(jù)等效電路模型,推導(dǎo)出在理想狀態(tài)下,只要能保持電子注與慢波相速的同步,就可以通過增加擴(kuò)展互作用諧振腔的間隙數(shù)來提高注波互作用效率、展寬頻帶和提高輸出功率容量的結(jié)論。
　　在高頻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中,主要有以下幾個關(guān)鍵點:諧振腔結(jié)構(gòu)的選擇,工作模式的選擇,波導(dǎo)和輸入腔之間的匹配,速調(diào)管的工作穩(wěn)定性。理論分析表明擴(kuò)展互作用諧振腔中各個間隙之間場分布越均勻,注波互作用效果越好。π模和2π模的場分布比其他模式的場分布均

3、勻得多,所以通常以這兩個模式作為工作模式。為了實現(xiàn)最佳的互作用效果,選擇π模作為工作模式。為了提高擴(kuò)展互作用諧振腔中π模的均勻性,諧振腔采用雙周期結(jié)構(gòu)。
　　由于電子負(fù)載電導(dǎo)對速調(diào)管輸入腔的匹配以及工作穩(wěn)定性都有較大影響,所以分別基于動力學(xué)理論和空間電荷波理論,在小信號條件下對電子負(fù)載電導(dǎo)表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo)。將理論分析結(jié)果與軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對比,由動力學(xué)理論得到的電子負(fù)載電導(dǎo)僅適用于電流較小的情形,而由空間電荷波理論得到的結(jié)果與軟件

4、模擬結(jié)果比較符合。對擴(kuò)展互作用諧振腔和傳統(tǒng)單間隙諧振腔的電子負(fù)載電導(dǎo)的特性進(jìn)行了研究。研究表明,采用擴(kuò)展互作用諧振腔能夠在更大的范圍內(nèi)對電子負(fù)載電導(dǎo)進(jìn)行調(diào)節(jié),從而可以實現(xiàn)對諧振腔有載Q值的大范圍調(diào)節(jié)。
　　基于理論分析對W波段擴(kuò)展互作用速調(diào)管進(jìn)行了模擬優(yōu)化設(shè)計,最終在束壓17 kV,束流0.34 A的條件下,MAGIC粒子模擬得到591 W的輸出功率,頻率94.8 GHz,效率10.2％,增益達(dá)到43 dB,–3 dB帶寬約為15