帶狀注擴展互作用速調(diào)管通過采用寬高比值很大的帶狀電子注來降低空間電荷效應，采用多間隙結(jié)構(gòu)來增加功率容量，是一種高頻率、高功率的微波真空放大器件。本文利用CST Microwave Studio 與MAGIC 設(shè)計了2π 模W 波段帶狀注五間隙擴展互作用諧振腔，重點研究了五間隙諧振腔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振腔特性阻抗與諧振頻率的影響，并對器件穩(wěn)定性與帶狀注雙腔速調(diào)管注波互作用特性進行了三維MAGIC 仿真與分析。最后，在電子注電壓為19. 5 kV，電流為3. 5 A 時，獲得大于8 kW 的輸出功率、23 dB 左右的增益。

　　采用帶狀電子注技術(shù)可以在高工作頻率下獲得較高的輸出功率。將帶狀電子注技術(shù)運用于速調(diào)管、行波管、返波管等多種真空電子器件中，極大地豐富和拓展了帶狀注器件的應用。其中，帶狀注速調(diào)管通過采用寬高比較大的薄矩形截面帶狀電子注代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓柱形電子注，從而降低了電子注的空間電荷效應，可使其工作于毫米波及太赫茲頻段，可獲得高功率輸出的新型微波真空電子器件。帶狀注速調(diào)管的典型結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 帶狀注速調(diào)管的典型結(jié)構(gòu)示意圖

　　帶狀注速調(diào)管的概念于1938 年由俄羅斯的Kovalenko 首次提出。此后60 多年里，美國、法國和俄羅斯的科學家對這種器件的理論和仿真設(shè)計等方面進行了廣泛研究。然而，當時的設(shè)計條件與應用需求限制了器件的發(fā)展。近年來，隨著電子系統(tǒng)微波源向著高頻率和高功率方向發(fā)展，帶狀注速調(diào)管憑借自身優(yōu)勢重新獲得關(guān)注和發(fā)展。

　　20 世紀90 年代以來，國際上多家研究機構(gòu)( 如美國的SLAC、NRL，德國的柏林技術(shù)大學( TU-Berlin)等) 對帶狀注速調(diào)管進行了深入研究，成功研制了X 波段和W 波段帶狀注速調(diào)管。為了進一步挖掘帶狀注速調(diào)管的潛能，發(fā)展了具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、工作電壓低、帶寬寬和功率高等優(yōu)點的帶狀注擴展互作用速調(diào)管。美國海軍研究實驗室NRL 設(shè)計了91 GHz 帶狀注擴展互作用速調(diào)管，在帶狀電子注寬高比為19，工作電壓19. 5 kV，工作電流3. 0 A，獲得10. 5 kW 輸出峰值功率， 21. 7 dB 增益與18%的效率; NRL 設(shè)計的220 GHz 帶狀注擴展互作用速調(diào)管，在帶狀電子注寬高比為19，工作電壓為16. 50 kV，工作電流為520 mA，聚焦磁場為0. 9 T 時，獲得了453 W 輸出功率與42. 6 dB 的增益。發(fā)展帶狀注器件必須攻克帶狀電子注的長距離穩(wěn)定傳輸、過模非對稱高頻結(jié)構(gòu)以及高效率注波互作用系統(tǒng)的設(shè)計等一系列關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)外學者在這些方面開展了大量研究。形成了兩類主要的帶狀電子注成形方式: 直接成形帶狀電子注; 將圓形電子注通過磁場壓縮成帶狀電子注。在帶狀電子注的聚焦與傳輸方面，可以采用均勻場聚焦或周期永磁聚焦系統(tǒng)。高頻結(jié)構(gòu)及注波互作用系統(tǒng)

　　的研究主要集中于理論體系及分析方法的建立以及模擬仿真方面。本文主要利用電磁模擬軟件CST Microwave Studio 和粒子模擬軟件MAGIC 設(shè)計W 波段帶狀注擴展互作用速調(diào)管，重點研究了五間隙諧振腔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振腔特性阻抗與諧振頻率的影響，并對帶狀注雙腔速調(diào)管的注波互作用特性進行了三維MAGIC 仿真與器件穩(wěn)定性分析。最后，在電子注電壓為19. 5 kV，電子注電流為3. 5 A 時，獲得了大于8. 0 kW 的輸出功率與23 dB 的增益。

總體設(shè)計

　　根據(jù)文獻，初步確定W 波段帶狀注擴展互作用速調(diào)管采用兩個TM110模五間隙擴展互作用諧振腔，其具體工作參數(shù)與腔體參數(shù)見表1 和表2。

表1 W 波段帶狀注擴展互作用速調(diào)管工作參數(shù)

表2 W 波段帶狀注擴展互作用速調(diào)管腔體參數(shù)

擴展互作用諧振腔設(shè)計

　　W 波段帶狀注擴展互作用速調(diào)管采用五間隙擴展互作用諧振腔。采用多間隙結(jié)構(gòu)，在相同頻率下具有比單間隙結(jié)構(gòu)更高的功率容量，從而進一步提高注波互作用效率和輸出功率。五間隙擴展互作用諧振腔包括五個耦合矩形波導與兩個矩形諧振腔，耦合矩形波導的尺寸為w0、h0、l0，矩形諧振腔的尺寸為w1，h1，l1，如圖2 所示。

圖2 五間隙擴展互作用諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)論

　　本文借助CST Microwave Studio 和MAGIC 設(shè)計了W 波段帶狀電子注擴展互作用速調(diào)管，模擬分析了擴展互作用諧振腔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對特性阻抗、諧振頻率以及器件穩(wěn)定性的影響。采用兩個完全相同且工作于2π 模式的五間隙擴展互作用諧振腔構(gòu)建了W 波段帶狀注擴展互作用速調(diào)管，在電子注電壓19. 5 kV，電子注電流3. 5 A 時，獲得了大于8. 0 kW的輸出功率、23 dB 的增益。本項工作對W 波段帶狀注擴展互作用速調(diào)管的設(shè)計，模擬分析以及性能探索具有重要意義，為帶狀注擴展互作用速調(diào)管的研究以及工程化打下了基礎(chǔ)。