C波段多注速調管高頻系統的模擬研究

摘 要： 采用電磁仿真軟件對C波段多注速調管的輸入腔、輸出腔及中間腔的高頻特性進行了冷腔分析。采用CHIPIC軟件對高頻互作用區進行了整體建模。為得到穩定且較高的輸出功率，對電子束，輸入功率及輸出耦合結構等參數進行研究分析。通過對結果的分析，模擬整個高頻結構的工作情況，在電子束電壓28 kV，總電流為14.96 A的條件下，得到了功率為225 kW的峰值功率，效率為50%。

關鍵詞：高功率微波；多注速調管； 高頻系統； 注波互作用

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）22?0134?03

0 引 言

多注速調管是在單注速調管的基礎上發展起來的一種微波功率放大器件，具有工作電壓低，頻帶寬，效率和增益高等特點，廣泛應用于各種雷達和通信系統中[1?2]。在國際上，除了俄羅斯和中國，美國的CPI和SLAC、法國的TTE和日本的KEK等單位也正在開展多注速調管的研究工作。目前俄羅斯的多注速調管研制技術仍然處于領先地位，能夠研制用于衛星通信、導航、雷達、電子對抗和高能粒子加速器等各種類型的多注速調管，中國國內所研制成功的多注速調管主要用于中等功率的寬帶雷達和導航系統，美國、法國和日本正在研制用于加速器的多注速調管[3?4]。速調管雖然是一種發展較為成熟的器件，但為了滿足新的應用需求，速調管的性能就需要不斷的改善和提高[2]。

本文主要研究了C波段多注速調管的高頻互作用區，分析電子與波的互作用，對輸入腔、輸出腔及中間諧振腔分別進行計算，并分析各參數對輸出功率及效率的影響。

1 高頻系統結構分析

多注速調管的高頻系統是高能電子注與高頻電磁場相互作用，并最終使電子注直流能量轉化為高頻能量的組件，它主要由漂移管串接起來的輸入腔、輸出腔及中間的諧振腔組成。多注速調管的特征之一就是低工作電壓，為降低工作電壓及單電子注的導流系數，電子束的數目需要適當選擇。大多數速調管的諧振腔為工作在基模的重入式諧振腔，主要TM010模的圓柱型腔或TM110模的矩形腔，部分多注速調管采用工作在高次模的重入式諧振腔[5]。本文采用8注電子注、7個諧振腔結構，即輸入/輸出腔及5個中間諧振腔，諧振腔均采用工作在TM110的矩形諧振腔。如圖1所示。

1.1 中間諧振腔

諧振腔作為注波互作用的關鍵結構，其特性直接影響整管性能，包括功率、效率、帶寬、穩定性等。選擇腔體尺寸及衰減材料的涂覆，抑制非工作模式的震蕩。為了使諧振腔中的高頻電場有效的與軸向運動的電子注發生相互作用，采用帶漂移管頭的雙重入式諧振腔，其高頻電場集中在諧振腔間隙區域。本文采用工作在TM110模式的矩形重入式諧振腔，如圖2所示。

諧振腔特性阻抗[RQ]是諧振腔的一個重要參數，可通過表達式（1）進行數值計算：

[RQ=-∞∞Ezdz22ωWs] （1）

式中：[Ez]為電子注運動方向電場分布；[ω]為電磁波工作角頻率；[Ws]為諧振腔的儲能，[Ws=vεE2zdv]。

1.2 輸入腔及輸出腔

首先，對輸入腔進行模擬計算。采用矩形波導作為輸入裝置，在輸入端口輸入頻率為5.6 GHz的歸一化信號。信號通過耦合孔饋入到腔內，激起工作模式TM110模。為獲得需要的[Q]及[RQ]的值，且在腔體內添加損耗介質材料對參數值影響不大[6]，因此在腔壁上添加兩塊損耗介質。

[Qe]為波導具有匹配負載時的諧振腔的值，[Q]是諧振腔和波導耦合的量度[7]，應滿足：

[Qe=1GzRQ] （2）

式中：[Gz]為電子負載電導。計算得到[Qe]值為100，[RQ]為50 Ω。

輸出腔的外觀品質因子[Qext]是輸出腔的重要參數，對速調管的效率和帶寬都有重要的影響[8?9]。對于諧振腔與波導耦合的情況，[Qext]的大小取決于耦合口的大小。計算輸出腔外Q可以基于Slater的理論，采用Mafia軟件計算，或者采用相位法，或者采用群時延時間法[10]三種方法。最常用的為相位法及群時延時間法。式（3）、式（4）分別為相位法及群時延法求[Qext]：

本文采用群時延時間法對[Qext]進行求解。因為耦合孔的尺寸對諧振頻率及[Qext]影響較大。對耦合孔的寬度進行從10～20 mm的參數掃描，得到在耦合孔寬度為16 mm時可以滿足設計要求，此時[Qext]=157。

2 結果分析

本文采用CHIPIC軟件對速調管進行整體建模，采用均勻電磁聚焦磁場，工作磁場B=0.2 T。整個高頻系統結構復雜，參數眾多，因此重點針對不同的工作電壓、輸入功率和頻率及輸出腔耦合孔等參數進行了模擬。圖4為工作電壓對輸出功率的影響，可以看出，不同的工作電壓對輸出功率的影響不大，在電壓為28 kV時達到最大輸出。圖5為輸入頻率對輸出功率的影響。由圖可以看出，工作中心頻率在5.6 GHz時輸出功率最大，帶寬為100 MHz。當電子注電壓固定時，速調管的輸出功率隨輸入功率變化而變化，當輸入功率較小時，輸出功率線性放大，隨著輸入功率的增大，輸出功率增加變慢，呈非線性放大現象，進一步增加輸入功率，輸出功率下降，速調管工作在過激勵狀態。為保證被放大信號不失真，本文將輸入信號選在線性狀態。耦合孔的尺寸影響輸出的穩定性。當耦合孔寬度為16 mm時有最大且穩定輸出，隨著寬度的增大或減小，輸出都減小，且會出現微波調制現象，輸出不穩定。

根據分析以上各個基本物理參數對輸出的影響，得到在電壓28 kV，電子總電流為14.96 A時，20 ns之后輸出穩定，輸出峰值功率為225 kW，效率為50%。圖6給出了輸入功率及輸出功率頻譜，中心頻率為11.2 GHz。

3 結 語

本文利用CHIPIC軟件對C波段多注速調管高頻系統結構進行了模擬研究，分析了輸入腔、輸出腔及中間諧振腔的高頻特性及電參數等對輸出的影響。研究結果表明：采用電壓為28 kV，電子總電流為14.96 A的電子束，在輸入頻率為5.6 GHz下，能獲得穩定且功率為225 kW，輸出頻率為5.6 GHz，效率為50%的輸出微波。

參考文獻

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