EHF频段回旋行波管放大器的模拟研究

摘 要：相对于UHF和SHF频段，EHF频段在抗干扰、低的截获率和在高空核爆炸情况下，地球至卫星上行链路具有最小中断时间等方面所显示出的优势，备受各国关注。通过对回旋行波管中的寄生振荡、工作磁场等问题的研究和PIC粒子模拟，讨论速度比a和工作磁场B对输出功率和增益的影响。PIC粒子模拟表明，在电子注电压为70 kV、电流13.5 A、工作磁场为1.61 T时，EHF波段基波回旋行波放大器得到370 kW的输出功率、52 dB的增益和39.5%的效率。

关键词：极高频； 介质加载； 起振电流； 寄生振荡

中图分类号：TN973-34文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)01-0064-03

Simulation and Design of EHF-band Gyro-TWT Amplifier

LI Xing-quan, YU Sheng, GUO Jian-huan, HUANG Jie

(School of Physics & Electronics, UESTC, Chengdu 610054, China)

Abstract： Compared with UHF and SHF bands, EHF band has great advantages in many aspects such as anti-interference, low rate of intercept and minimal interrupt time from the earth to satellite uplink under the circumstance of nuclear explosion at high altitude. Many countries are interested in the application of EHF band. The parasitic oscillation and working magnetic field in TWT are researched and PIC particles are simulated. The effect of both factors (working magnetic field and the transverse-longitudinal velocity ratio) on the amplifier performance is discussed. The PIC simulation results show that the EHF-band gyro-TWT amplifier can generate 370 kW output power at 45 GHz with 39.5 % efficiency and 52 dB gain at 70 kV, 13.5 A electron beam input.

Keywords： EHF; medium loading; initial current; parasitic oscillation

0 引 言

极高频段(Extremely High Frequency，EHF)定义为30～300 GHz，对应波长为1～10 mm，故又称其为毫米波。EHF频段因具有宽带宽和抗干扰等方面的优点，特别适合军用战略、战术卫星通信和大容量、高数据率的卫星通信。如美国为了打造世界上最先进的军事通信卫星系统，美国空军于1997年着手发展具有高数据率传输特性的新型受保护AEHF卫星系统。EHF频段的军事卫星通信系统可为战术用户提供实时、灵活、保密、抗干扰的通信支援，因此应及早进行EHF频段军事卫星通信对抗的研究，研制出相应的设备，在未来可能发生的局部战争中，夺取电磁空间信息的优势。使用地面干扰站干扰卫星通信EHF上行链路(转发器)时，目前大都仍然采用电真空器件来获得EHF频段的大功率输出，而作为最具发展潜力的高功率微波源——回旋行波管放大器便成为首选的器件。然而,回旋行波管放大器最大的缺点是放大特性的不稳定性，结构和工作参数的不合理选择而引起的竞争模式振荡是回旋行波管难以达到理论预测的主要障碍［1］,因此，相对回旋振荡管和回旋速调管，回旋行波管的发展比较缓慢。目前，抑制回旋行波管自激振荡的思想集中在以下几个方面［2］：利用分布式损耗波导结构；通过利用新型的互作用结构，改变波导的色散曲线；采用大回旋轨道的回旋行波管设计，提高系统的稳定性；采用谐波倍频机制。

研制回旋管等微波毫米波功率源时，对器件参数的设置和性能进行详细、精确的模拟计算是十分必要的。现在，随着计算机性能的不断提高，使得大量应用PIC粒子模拟方法对注-波互作用的模拟计算成为可能，对器件的优化设计起到了关键作用［3］,本文采用损耗介质加载技术模拟高频结构。通过PIC粒子模拟对回旋行波放大器中注波互作用进行仿真，讨论速度比a和工作磁场B对输出功率和增益的影响，得出45 GHz基波回旋行波放大器的优化设计结果。

1 理论分析

本文采用TE01模基次谐波工作，电子注采用成熟的小回旋电子注，电子回旋脉塞的目的是使波导模式与回旋模式相互耦合，即［4］：

ω2－k2‖c2－k2cc2=0

(1)

ω2－k‖v‖－lωc=0

(2)

同时满足，即两种模式色散曲线的相切点。式中：ω为波的频率；ωc为电子的回旋角频率；k‖为波的纵向传播常数；kc为截止波数；c为光速；v‖为电子的纵向速度；l为谐波数。

ωc=em0B01γ

(3)

式中：B0为纵向磁感应强度；γ为相对论因子；e为电子电荷绝对值；m0为电子的静止质量。

通过数值分析，对于特定参数,两条色散曲线相切，如图1所示。

图1 回旋行波管色散曲线

回旋电子注通过调制区时，受到驱动TE01模角向电场的作用，电子注的速度发生改变，导致电子回旋频率也随着发生改变，在回旋轨道上形成相位群聚，当电磁场的角频率略大于电子的回旋频率时，大部分电子落在减速场，此时电子把能量不断交给电磁场，有效地完成注波的能量交换［5］，在图1的相切处即电子与波发生耦合点。对无限长的圆波导中TEmn模式来说，由传导不稳定性转变成绝对不稳定性的临界起振电流Ic为［6-7］：

Ic=γ0βz(q2mn-m2)J2m(qmn)IAεc4β2⊥［Js-m(kcrc)

J′s(kcrL)］2

(4)

式中:IA=mc2/e=17 A;rc，rL分别为电子注的引导中心半径及拉莫尔半径;kc=qmn/rw,为截止波数，qmn表示第一类零阶贝塞尔函数J′s=0的第n个根;εc由下式给出:

εc=27β2zk4s

ks=12(1+8β2z)-1{-4βzsΩ/ωc+16β2zs2Ω2/ω2c+

2(1+8β2z)(1-s2Ω2/ω2c)］-12}

(5)

通过分析式(4)可以得出，起振电流与电子注横纵速度比a、工作磁场B及电子注电压V,还有回旋电子束引导中心半径rc存在密切联系。当a值减小时,起振电流会提高，但电子注的横向能量会降低，由于回旋行波管是横向换能,所以随a值减小回旋行波管的效率也会相应降低［ 8］，为了兼顾输出功率与效率，a的合理取值对回旋行波管的性能影响很大;引导中心半径rc决定工作模式的场的分布，对于TE01,为了提高效率一般选取rc=0.48rw［9］。

2 粒子模拟结果

对于TE01模，其在波导壁处的场强分布几乎为零，损耗介质对它的影响很小，而对其他非工作模式则产生非常大的损耗，这就起到了抑制其他模式的产生；通过介质加载技术还可以改变波导色散曲线，并在波导的截止频率附近产生较大的损耗，从而达到有效地扩展频带的目的［10］。在工作频率附近，介质加载技术能够极大地提高回旋自激振荡的起振电流，且只牺牲少量的增益，对回旋行波管的功率和效率有很大的提高，故在回旋行波放大器中介质加载技术被作为抑制绝对不稳定性的有效手段而得到广泛使用。

通过理论计算和仿真模拟，得到在工作参数：工作电压U=70 kV、工作电流为13.5 A、工作频率为45 GHz、工作磁场B=1.61 T、横纵速度比a=1.1时，回旋行波放大器的输出功率为370 kW。

从图2输出频谱图中可以看出通过介质加载有效地抑制了寄生模式的产生和传播，得到的频谱比较纯，无杂散频率的出现。

图2 输出端频谱

图3为增益和输出功率随速度比a的变化情况，可以看出，速度比a对增益和输出功率影响很大，当速度比a较小时，参与注波互作用的横向能量不足，使得输出功率较小，而随着a的增加，增益和输出功率也不断的增加，在a=1.1时达到最大值。随着a的继续增加，虽然电子注的横向速度也在继续增加，但电子注的纵向速度的减小会使电子注与波导模式之间的耦合条件遭到破坏，导致互作用的减弱，使得输出功率和增益降低，通过式(4)可以得出随着速度比a的增加，绝对不稳定性的起振电流将会减小，使得振荡容易产生。

放大器的工作磁场决定了电子注与波的回旋谐振匹配，因而也就决定了注-波耦合的强度。模拟结果表明，放大器的工作对磁场的变化极为敏感，如图4所示，在磁场为1.61 T时，放大器获得373 kW的输出功率和52 dB的最高增益;而在磁场大于1.65 T时，放大器迅速过渡到不稳定区 ,杂散振荡的产生大大降低了输出功率。

图3 增益和输出功率随速度比a的变化

图4 增益和输出功率随工作磁场B的变化

图5给出了输出功率与效率随频率的变化规律，从图中可以得出，在43~46.5 GHz，输出功率都在200 kW以上，效率达到20%，最高功率达到370 kW，3 dB功率带宽达到了3.5 GHz以上。

3 结 论

通过对毫米波回旋行波放大器中电子注-波互作用的研究 ,讨论了回旋行波管的稳定性、工作参数的优化等问题 ,并对速度比a和工作磁场对输出功率和增益的影响进行了讨论，得出了TE01模回旋行波管放大器的工作参数。在电子注电压为70 kV，工作电流为13.5 A，横纵速度比为1.1，工作磁场为1.61 T，工作频率为45 GHz时基波回旋行波管放大器可获得370 kW的输出功率、52 dB的增益和39.5%的效率，3 dB功率带宽达到了3.5 GHz以上。

图5 输出功率与效率随频率的变化

参 考 文 献

［1］薛谦忠,纵啸宇,邹峰,等.具有分布损耗波导结构的回旋行波放大器绝对不稳定性［J］.强激光与粒子束,2008,20(2):264-267.

［2］来国军.W波段回旋行波管放大器的研究［D］.北京:中国科学院,2006.

［3］黄勇,李宏福,喻胜，等.3 mm低电压回旋管设计与模拟［J］.电子科技大学学报，2009，38(1)：79-82.

［4］刘盛纲.相对论电子学［M］.北京:科学出版社,1987.

［5］王文祥.微波器件原理［M］.成都:电子科技大学出版社,2007.

［6］LEON K C, MCDERMONTT D B,BALKCUM A J,et al.Stable high power TE01 gyro-TWT amplifiers［J］.IEEE Trans.on Plasma Sci.,1994,22(5):585-592.

［7］LEON K C, PI T, MCDEMOTT D B. Circuit design for a wide-band disk-loaded gyro-TWT amplifier［J］.IEEE Trans. on Plasma Sci., 1998, 26(3): 448-495.

［8］鄢然,罗勇,李家胤,等.Ka波段介质加载回旋行波管小信号分析与设计［J］.物理学报，2008，57(1)：460-466.

［9］来国军,贾云峰,刘濮鲲.W波段回旋行波管绝对不稳定性的分析［J］.强激光与粒子束,2005,17(12):1865-1869.

［10］王纪锋，喻胜.回旋放大器的模拟研究［D］.成都:电子科技大学，2009.

作者简介： 李兴泉 男，1982年出生，山东枣庄人，硕士研究生。主要研方向为高功率微波系统与信息干扰技术。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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