C波段多注速调管高频系统的模拟研究
摘 要： 采用电磁仿真软件对C波段多注速调管的输入腔、输出腔及中间腔的高频特性进行了冷腔分析。采用CHIPIC软件对高频互作用区进行了整体建模。为得到稳定且较高的输出功率，对电子束，输入功率及输出耦合结构等参数进行研究分析。通过对结果的分析，模拟整个高频结构的工作情况，在电子束电压28 kV，总电流为14.96 A的条件下，得到了功率为225 kW的峰值功率，效率为50%。
关键词：高功率微波；多注速调管； 高频系统； 注波互作用
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）22?0134?03
0 引 言
多注速调管是在单注速调管的基础上发展起来的一种微波功率放大器件，具有工作电压低，频带宽，效率和增益高等特点，广泛应用于各种雷达和通信系统中[1?2]。在国际上，除了俄罗斯和中国，美国的CPI和SLAC、法国的TTE和日本的KEK等单位也正在开展多注速调管的研究工作。目前俄罗斯的多注速调管研制技术仍然处于领先地位，能够研制用于卫星通信、导航、雷达、电子对抗和高能粒子加速器等各种类型的多注速调管，中国国内所研制成功的多注速调管主要用于中等功率的宽带雷达和导航系统，美国、法国和日本正在研制用于加速器的多注速调管[3?4]。速调管虽然是一种发展较为成熟的器件，但为了满足新的应用需求，速调管的性能就需要不断的改善和提高[2]。
本文主要研究了C波段多注速调管的高频互作用区，分析电子与波的互作用，对输入腔、输出腔及中间谐振腔分别进行计算，并分析各参数对输出功率及效率的影响。
1 高频系统结构分析
多注速调管的高频系统是高能电子注与高频电磁场相互作用，并最终使电子注直流能量转化为高频能量的组件，它主要由漂移管串接起来的输入腔、输出腔及中间的谐振腔组成。多注速调管的特征之一就是低工作电压，为降低工作电压及单电子注的导流系数，电子束的数目需要适当选择。大多数速调管的谐振腔为工作在基模的重入式谐振腔，主要TM010模的圆柱型腔或TM110模的矩形腔，部分多注速调管采用工作在高次模的重入式谐振腔[5]。本文采用8注电子注、7个谐振腔结构，即输入/输出腔及5个中间谐振腔，谐振腔均采用工作在TM110的矩形谐振腔。如图1所示。
1.1 中间谐振腔
谐振腔作为注波互作用的关键结构，其特性直接影响整管性能，包括功率、效率、带宽、稳定性等。选择腔体尺寸及衰减材料的涂覆，抑制非工作模式的震荡。为了使谐振腔中的高频电场有效的与轴向运动的电子注发生相互作用，采用带漂移管头的双重入式谐振腔，其高频电场集中在谐振腔间隙区域。本文采用工作在TM110模式的矩形重入式谐振腔，如图2所示。
谐振腔特性阻抗[RQ]是谐振腔的一个重要参数，可通过表达式（1）进行数值计算：
[RQ=-∞∞Ezdz22ωWs] （1）
式中：[Ez]为电子注运动方向电场分布；[ω]为电磁波工作角频率；[Ws]为谐振腔的储能，[Ws=vεE2zdv]。
1.2 输入腔及输出腔
首先，对输入腔进行模拟计算。采用矩形波导作为输入装置，在输入端口输入频率为5.6 GHz的归一化信号。信号通过耦合孔馈入到腔内，激起工作模式TM110模。为获得需要的[Q]及[RQ]的值，且在腔体内添加损耗介质材料对参数值影响不大[6]，因此在腔壁上添加两块损耗介质。
[Qe]为波导具有匹配负载时的谐振腔的值，[Q]是谐振腔和波导耦合的量度[7]，应满足：
[Qe=1GzRQ] （2）
式中：[Gz]为电子负载电导。计算得到[Qe]值为100，[RQ]为50 Ω。
输出腔的外观品质因子[Qext]是输出腔的重要参数，对速调管的效率和带宽都有重要的影响[8?9]。对于谐振腔与波导耦合的情况，[Qext]的大小取决于耦合口的大小。计算输出腔外Q可以基于Slater的理论，采用Mafia软件计算，或者采用相位法，或者采用群时延时间法[10]三种方法。最常用的为相位法及群时延时间法。式（3）、式（4）分别为相位法及群时延法求[Qext]：
本文采用群时延时间法对[Qext]进行求解。因为耦合孔的尺寸对谐振频率及[Qext]影响较大。对耦合孔的宽度进行从10～20 mm的参数扫描，得到在耦合孔宽度为16 mm时可以满足设计要求，此时[Qext]=157。
2 结果分析
本文采用CHIPIC软件对速调管进行整体建模，采用均匀电磁聚焦磁场，工作磁场B=0.2 T。整个高频系统结构复杂，参数众多，因此重点针对不同的工作电压、输入功率和频率及输出腔耦合孔等参数进行了模拟。图4为工作电压对输出功率的影响，可以看出，不同的工作电压对输出功率的影响不大，在电压为28 kV时达到最大输出。图5为输入频率对输出功率的影响。由图可以看出，工作中心频率在5.6 GHz时输出功率最大，带宽为100 MHz。当电子注电压固定时，速调管的输出功率随输入功率变化而变化，当输入功率较小时，输出功率线性放大，随着输入功率的增大，输出功率增加变慢，呈非线性放大现象，进一步增加输入功率，输出功率下降，速调管工作在过激励状态。为保证被放大信号不失真，本文将输入信号选在线性状态。耦合孔的尺寸影响输出的稳定性。当耦合孔宽度为16 mm时有最大且稳定输出，随着宽度的增大或减小，输出都减小，且会出现微波调制现象，输出不稳定。
根据分析以上各个基本物理参数对输出的影响，得到在电压28 kV，电子总电流为14.96 A时，20 ns之后输出稳定，输出峰值功率为225 kW，效率为50%。图6给出了输入功率及输出功率频谱，中心频率为11.2 GHz。
3 结 语
本文利用CHIPIC软件对C波段多注速调管高频系统结构进行了模拟研究，分析了输入腔、输出腔及中间谐振腔的高频特性及电参数等对输出的影响。研究结果表明：采用电压为28 kV，电子总电流为14.96 A的电子束，在输入频率为5.6 GHz下，能获得稳定且功率为225 kW，输出频率为5.6 GHz，效率为50%的输出微波。
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