关键词：
行波管
返波管
并联耦合
慢波电路
多注电子光学系统
摘要：
电真空器件的工作性能受限于尺寸共度效应。随着工作频率的增加,可用工作电流逐渐减少,损耗相应增加,这直接导致了输出功率的显著下降。将慢波电路并联,并在慢波电路之间开设适当的耦合通道使得各个慢波电路之间存在耦合,并利用多电子束工作的并联耦合慢波电路行波管和返波管,具有成倍乃至更高程度地提升输出功率水平的潜力。这两点共同构成了本研究的核心意义。本文以并联耦合慢波电路行波管和返波管为研究对象,重点研究了以下几个方面:首先,耦合程度对并联耦合慢波电路特性的影响;其次,分析并联耦合慢波电路行波管和返波管的注波互作用;然后,进行了并联耦合高次模式行波管带宽扩宽的分析和验证;最后,提出了一种高压缩比且结构紧凑的双圆形注电子光学系统的设计方案。论文的主要工作和创新点如下:
1)慢波电路的耦合方式对并联耦合慢波电路的性能具有决定性影响。对于不完全耦合的慢波电路,由于多个色散特性相近模式之间的竞争会导致输出信号存在显著的相位差异,使得互作用效率大幅降低。通过340 GHz频段并联不完全耦合交错双栅慢波电路的仿真分析,证实了在工作频带内互作用效率下降约30%。因此,在设计时需要规避此种耦合方式。另一方面,完全耦合慢波电路可能因低阶模式的振荡（如反射波、返波或带边振荡）导致器件无法稳定工作。具体而言,94GHz并联完全耦合曲折波导慢波电路的仿真结果表明,返波振荡的存在导致器件无法维持稳定工作状态。因此,在实际设计中需要优化调整模式间的色散曲线分布,以确保工作的稳定性。
2)通过对并联耦合前后的慢波电路的分析研究,揭示了空间电荷场在并联完全耦合慢波电路在互作用效率提升中的关键机制。研究发现,并联耦合能够显著增强空间电荷场强度,从而在单个慢波电路中空间电荷场呈现正向效应时,大幅度提升互作用效率。进一步研究表明,空间电荷场对互作用效率产生显著影响需要满足两个必要条件:首先,空间电荷场相对于线路场必须有较大的幅值;其次,并联耦合需要引起空间电荷场的显著变化。理论分析预测,随着工作频率提升至太赫兹频段以及并联电路数量的增加,高频返波管将呈现出显著的效率增强效应。仿真结果验证了理论预测,其中高频返波管的效率提升最高可达205.9%,而低频返波管和行波管由于空间电荷场较弱且电子注之间的间距较大,其效率提升效果相对不明显。这一发现为太赫兹频段真空电子器件的性能优化提供了重要的理论指导。
3)针对毫米波和太赫兹频段的波导型慢波结构（如曲折波导、交错双栅）在高次模式工作时的窄带宽问题,提出通过多模共存实现带宽扩展的方法。构建了慢波结构本征频率与几何参数的关系模型,明确了其色散曲线单模存在与多模共存的工作条件。对于并联耦合慢波电路高次模式行波管而言,不稳定性主要来源于返波振荡、带边振荡和模式竞争等问题。通过对模式间色散曲线分布特性的深入分析,发现当满足以下条件时,可有效抑制振荡和模式竞争:（1）相邻模式的色散曲线近似平行;（2）模式间距较小;（3）通带宽度足够大;（4）低阶模式反射系数较低。在此条件下,多模共存的高次模式行波管不仅能够保持稳定运行,还可显著扩展工作带宽。针对G波段应用,通过对比仿真单模与多模共存的并联休斯型耦合腔慢波电路,结果表明多模共存设计可将工作带宽扩展124%。为进一步验证方案的工程可行性,综合考虑加工工艺的复杂性与可实现性,在W波段完成了行波管的设计与慢波结构制造。实验结果显示,测试所得的S11在91.5～96 GHz的频率范围内均小于-15 d B。而S21由于结构间隙的影响,与仿真结果有较大差异。
4)提出了一种适用于W波段双电子注休斯型耦合腔慢波电路行波管的电子光学系统设计方案,该系统的核心特点在于能产生高压缩比电子注并采用周期会切磁场（PCM）聚焦结构进行聚焦。具体而言,设计了一种面积压缩比约为57:1、工作电压18.4 k V、工作电流2×0.1 A的双注电子枪。为实现对双圆形电子束的有效聚焦,设计了极靴开槽型PCM聚焦结构。设计的关键在于确保多电子束中每个单电子束感知的磁场分布,与常规PCM中单个带状电子束的磁场分布特征一致。电子光学的联合仿真结果表明,双圆形电子束可在漂移管内稳定传输100 mm,流通率达99.2%。进一步与粒子模拟的联合仿真结果显示,在目标工作频段内,行波管平均动态流通率约为96%,其输出功率与增益同理想条件下（理想电子束、均匀磁场）的仿真结果基本一致。这些结果验证了该电子光学系统在多圆形电子束应用中的可行性。
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