带状注速调管多间隙扩展互作用输出腔等效电路的研究

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.2(2014)028402带状注速调管多间隙扩展互作用输出腔等∗效电路的研究陈姝媛1)2)阮存军1)y王勇1)1)(中国科学院电子学研究所,中国科学院高功率微波源与技术重点实验室,北京100190)2)(中国科学院大学,北京100049)(2013年9月3日收到;2013年10月16日收到修改稿)带状注扩展互作用速调管(SBEIK)结合了带状注速调管与扩展互作用速调管的优势,在微波和毫米波真空电子器件中具有显著的技术潜力.本文提出了应用于SBEI

2、K的五间隙哑铃型扩展互作用耦合腔输出回路的等效电路模型,获得了建立复杂多间隙扩展互作用腔的等效电路理论的方法.通过推导出的理论,快速确定了五间隙扩展互作用耦合腔的工作模式、谐振频率及间隙阻抗矩阵,由间隙阻抗的频率特性曲线快速估算出各模式对应的带宽,分析研究了耦合系数k以及Qe对于多间隙腔模式频率间隔及带宽的影响.此外,利用三维PIC仿真软件对相应的SBEIK五间隙输出腔高频特性进行了粒子模拟,结果表明,三维仿真获得的工作模式带宽特性与等效电路法计算结果基本一致,证明了本文所建立的等效电路方法的准确性

3、和有效性.关键词:带状注速调管,等效电路,多间隙输出腔,扩展互作用PACS:84.40.Fe,84.40.Dc,29.27.Ac,52.35.MwDOI:10.7498/aps.63.028402带状注速调管方面进行了相关的研究,对带状注整1引言管进行了三维模拟仿真,并获得了50kW的功率输出,40dB增益及150MHz的带宽[4;5].随着现代信息科学技术的发展与应用,作为核扩展互作用速调管(EIK)是把行波管的周期心功率源的真空电子器件已向着高频率、高功率、慢波结构和速调管的谐振腔系统结合起来发

4、展高效率、小型化和紧凑型等方向发展.但是,对于传而成的一种既有较高增益、又有较宽带宽的新型统的圆柱型轴对称的微波真空电子器件,由于工作大功率微波和毫米波器件.带状注扩展互作用速波长和器件几何尺寸的共度性,以及空间电荷力的调管(SBEIK)结合了SBK和EIK的技术优势,采限制,使其在很小的束流通道内很难传输并获得高用宽高比很大的薄矩形电子注和多间隙耦合扩功率的电子注,因而严重制约了高频段速调管的高[1]展互作用腔结构,使其具有单位长度增益高的特功率输出.带状注速调管(SBK)采用宽高比很点,同时可以

5、在高频率实现大功率的输出.SBEIK大的薄矩形电子注,它在一个维度上可以具有与器件工作频率相匹配的小尺寸,而在另一维度可以选的这些技术优点,使其特别适用于毫米波、亚毫择较大的尺寸以满足大功率输出的要求,从而解决米波段和太赫兹频段.近几年,美国的海军实验室已对SBEIK进行了相关研究[68],并已研制出了传统圆柱轴对称速调管在往亚毫米波和太赫兹频段发展时严重受限的问题[2].目前,带状电子注国际上首支输出功率为7.5kW,增益40dB,带宽150MHz的W波段大功率SBEIK[9].技术及其真空电子

6、器件的发展已成为国内外本领域研究的新热点[3].近几年,美国的UC-Davis在SBEIK多间隙扩展互作用输出腔的特性在很国家自然科学基金(批准号:61222110,60971073,61172015)资助的课题.†通讯作者.E-mail:ruancunjun@tsinghua.org.cn©2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn028402-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.63,No.2(2014)028402

7、大程度上影响了整管的性能,尤其是输出腔的阻抗yzx特性,它决定了整管的频宽.因此选择合适的腔体参数,研究阻抗频率特性曲线,对于提高整管的性能非常重要.但是由于带状注多间隙耦合谐振腔的结构复杂,参数繁多,边界条件复杂,用场分析的(a)方法较难处理.等效电路法作为一种快速简单获得谐振腔高频特性的方法,在传统圆柱轴对称速调管双间隙和三间隙谐振腔中已经获得了一定的应用[1011].但关于带状注多间隙耦合谐振腔等效电路还未有相关的研究.本文参照传统轴对称圆柱形等效电路的方法,提出了应用于SBEIK的五间隙哑

8、铃型扩展互作用谐振腔的等效电路的研究方法,xy通过建立的等效电路模型和理论,分析了外Q值和z(b)耦合系数对于五间隙耦合腔模式的影响,计算得到了五间隙耦合谐振腔的间隙阻抗,并且通过其频率图1带状注EIK五间隙耦合输出腔的(a)三维图;(b)特性曲线快速得到了带宽,同时通过三维PIC模拟xz截面图软件对五间隙耦合输出腔进行了仿真计算,对结果进行了验证.本文提出的五间隙腔等效电路理论研2pmode4.01/4pmode究方法,对于SBEIK的整管设计和模式竞争的研3.02