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8mm回旋行波管注—波互作用数值模拟和分析

黄杰  
【摘要】: 在毫米波系统中最重要的部件是毫米波源,它决定了毫米波系统的性能。所以研制性能稳定、能有效输出高功率毫米波的毫米波源就显得极其重要。目前比较成熟的高功率毫米波源以回旋放大器为主,而在回旋放大器中,回旋速调管放大器是发展较快的一种管型。相比回旋行波管放大器,回旋速调管放大器在稳定性、输出功率和互作用效率等方面有着较大的优势,对电子枪产生的电子注的速度离散等参数的要求也相对较低,因而得到了各国研究机构的重视,在回旋放大器中它的发展也最为迅速。但是回旋速调管放大器由于工作原理等原因,相比回旋行波管放大器,它的带宽相对较窄,无法满足将来军事和科研等领域对高功率微波源的需要。回旋行波管放大器也因此成为现阶段各国研究的热点,各国都加大了对回旋行波管放大器的研究力度,在理论和实际应用均取得了较大的进展。 本文对互作用段长度为200mm和300mm的30GHz回旋行波管放大器进行了数值模拟和分析,其中对互作用段长度为200mm的回旋行波管放大器进行了重点研究,主要工作如下: 1、根据已有文献,设计了互作用段长度为200mm的损耗介质加载结构的回旋行波放大器,在Magic平台下编写了模拟程序代码,进行了注-波互作用数值模拟,根据模拟结果优化了放大器的高频结构尺寸和工作参数。该放大器工作在TE01模,工作磁场为0.972T,工作电压为68kV,工作电流为16A,电子横纵速度比α=1.12,放大器的峰值功率为400kW,电子效率为36.8%,增益为45dB,3dB带宽超过2.5GHz。该模拟分析的结果被应用到课题组样管的研制中,并参加了样管的热测实验,测试结果如下:在29GHz到31GHz频带内峰值功率均超过100kW,在频率为29.8GHz时,得到最大脉冲功率200kW,增益为33dB,电子效率为18.7%。 2、根据已有文献,设计了互作用段长度为300mm的损耗介质加载结构的回旋行波放大器,在Magic平台下编写了模拟程序代码,进行了注-波互作用数值模拟,根据模拟结果优化了放大器的高频结构尺寸和工作参数。该放大器工作在TE01模,工作磁场为0.972T,工作电压为66kV,工作电流为15A,电子横纵速度比α=1.15,放大器的峰值功率为370kW,电子效率为37.4%,增益为60.5dB,3dB带宽超过3GHz。


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