Ka波段二次谐波回旋速调管放大器的输出特性.pdf

!第"#卷!第"期强激光与粒子束$%&’"#，(%’"!
!)**+年"月,-.,/0123456235(7/538-942:25;6<=>’，)**+!

文章编号：!"**"?@A))（)**+）*"?*""A?*@
!"波段二次谐波回旋速调管放大器的输出特性!
梁显锋"，)，!刘濮鲲"

（"#中国科学院电子学研究所，北京"***B*；!)#中国科学院研究生院，北京"***AC）

!!摘!要：!根据谐波回旋速调管放大器的注?波互作用特点，对D=波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的
输出腔进行了数值模拟和优化设计，获得了输出腔末端高频波绕射输出孔径和腔体绕射!值的对应关系。通
过/-9粒子模拟，分析了该放大器的频率响应特点等输出特性。结果表明，在A+.,E频率，磁场*’FB+8，电子
注电压#*G$，电流"+5，横纵速度比为"’@+，输入功率"’FG1时，放大器可以获得超过))*G1的峰值输出功
率、约))H的效率和)AI:的增益，AI:带宽可达到""*;,E。
!!关键词：!二次谐波；!回旋速调管放大器；!输出特性；!/-9粒子模拟
!!中图分类号：!8(")C!!!!文献标识码：!5

!!回旋速调管放大器是一种新型高功率毫米波相干辐射源，其功率大、效率和增益高、磁场装置紧凑、也有一
定带宽，而且性能比较稳定，在高功率雷达、高梯度加速器、下一代直线对撞机中都具有重要的应用前景，因而
在国际上受到特别重视［"］。目前在频率约为A+.,E和C@.,E的两个大气窗口，回旋速调管放大器是最具有
实用意义的高功率毫米波雷达功率源之一［)］。
!!工作在高次回旋谐波的回旋速调管，所要求的磁场强度是在基次回旋谐波工作的"J（""是谐波次数）。相
对基波工作而言，谐波回旋速调管的磁场系统可以小型化，因而能适用于机动性较高的应用系统。最近，俄罗
斯科学院应用物理所报道了D=波段二次谐波三腔回旋速调管放大器的实验结果。该放大器采用F+G$的电
子注电压和)"5的电子注电流，工作磁场为*’#8的永磁系统，获得了A**G1的输出功率、))H的效率、))
I:增益和约*’")H的带宽［A］。由于高功率毫米波系统具有重要的应用潜力，对高功率毫米波相干辐射源提
出了迫切需求。因此，在我国发展D=波段谐波回旋速调管放大器意义重大。
!!回旋速调管放大器注?波互作用电路由几个谐振腔构成，放大器的性能主要由谐振电路参数所决定。特别
是高次谐波工作，互作用电路参数的变化，对放大器的输出特性影响很大［@］。谐波回旋速调管放大器输出腔
的工作稳定性决定了放大器的输出功率、效率、增益和带宽等，所以输出腔的优化设计是非常重要的。本文对
D=波段二次谐波三腔回旋速调管放大器输出腔的稳定工作特性进行了研究，并且利用/-9粒子模拟方法分析
了放大器的输出特性，对部分结果进行了分析。

$%输出腔的分析和设计
!!二次谐波回旋速调管放大器的简单结构如图"所示。其中注?波互作用电路由输入腔、群聚腔和输出腔三

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图"!回旋速调管放大器结构示意图

!收稿日期：)**@?*@?*+；!!修订日期：)**@?*#?)*
基金项万方数据目：国家杰出青年科学基金资助课题（F*")+"*@）；人事部留学回国人员科技活动择优（重点）资助课题
作者简介：梁显锋（"C#)—），男，博士生，主要从事新型高功率微波和毫米波相关辐射源等方面的研究；2?Q=L&：&L=>MXL=>SYO%RQ=L&’N%Q。

书
886强激光与粒子束第85卷

个圆柱腔构成：每个谐振腔均工作在模。放大器的输出腔是一种开放腔。一定功率的高频电磁波通过开
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放腔末端的输出孔隙绕射输出，绕射输出孔隙的大小允许模式选择。通常，输出孔隙连接一段%&’()*+),-.*
变换段［1，2］，这样便于合适的模式耦合输出。如果输出腔的工作模是模，这些渐变可阻止输出腔内的
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径向模变成波导模。
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44放大器的输出功率能力和带宽之间的平衡受输出腔品质因数!值的影响较大［1］。如果电子注功率一定，
较低的输出腔!值将增加放大器的带宽，但降低了放大器的效率和输出功率。回旋速调管放大器的注*波互作
用强度随谐波数的增加而减弱［5］。因此，二次谐波回旋速调管放大器输出腔中注*波互作用强度要弱于基波工
作的强度。为了提高输出腔中的注*波互作用强度，可以通过减小绕射损耗来增加输出腔的品质因数!值［6］。
因此，该放大器输出腔的值不能太低。通常希望输出腔壁对电磁场的损耗很小，这样腔的内部值很大。
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输出腔的有载和总值分别为或，绕射值记为。则有
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