一种新型高功率V频段螺旋折叠波导级联行进波管放大器

摘要

提出了一种v波段螺旋折叠波导(H-FWG)级联行波管的设计。在这种级联结构中，首先提出了一种数字化的非线性理论模型，对这两类管进行了通用过程的模拟。在此基础上，提出了一种可以通用地设计这两种管道的初步设计原则。利用这一原理，精心设计了一个高增益螺旋行波管作为第一级放大器，然后是一个FWG行波管，以获得高功率。仿真预测，在55ghz到60ghz之间，可以实现800w的峰值功率和60db的饱和增益。

1.介绍

V波段频率范围（50–75 GHz）是一个毫米波谱区域，在卫星间通信和高性能雷达应用方面具有巨大的潜在应用，包括大气研究、空间碎片探测、精确跟踪和高分辨率成像[1.–3.］.然而，在使用传统的螺旋行波管时，在这个频率范围内必须面对尺寸和功率的限制[1.,4.]和一些新型结构行波管[5.–7.在这样的高频波段上。然而，一些金属结构行波管(耦合腔(CC)) [8.]，FWG行波管[9,10[]等)，在强后向波振荡(BWO)不稳定的情况下，可以在单管中获得高功率但低增益，某些FWG级联行波管[11,12]和CC-FWG级联行波管[13］.

为了获得高功率、高增益的v波段行波管，设计了一种新型H-FWG级联行波管放大器。在本设计中，我们利用螺旋行波管作为一级放大器，将放大后的信号输出到FWG行波管中，获得较高的功率。螺旋行波管具有带宽宽、增益高的特点。FWG行波管采用全金属结构，具有较大的功率能力，在v波段频率范围内可获得较高的功率。

数字化波束-波相互作用理论模型[14,15]用于分析设计的螺旋-FWG级联行驶波管的性能，该波管已经开发并包含在MTSS中[16］.在该模型中，从电磁（EM）模拟软件的数字化字段用于任意SWS的数据，用于与光束相互作用，其保持光束和EM波之间的能量平移和节能。由于其通用来处理光束波相互作用过程，这种数字化理论模型可用于模拟和分析不同SWS的行波管的非线性性能。

Helix-FWG级联行驶波管验证了设计方法并进行了优化。最后，饱和输出功率的模拟高于34W，在第一级螺旋TWT中的5 GHz带宽中高于33dB的饱和增益。并且，对于级联的FWG行波管在相同带宽中，饱和增益高于18 dB，实现输出功率为800W。在连接中匹配输入输出功率后，总级联管达到60 dB增益和800 W in 5 GHz band. The illustration of the helix-FWG cascaded TWT model is presented in Figure1.．

本文的其余部分组织如下。部分2.给出了数字化非线性波束-波相互作用理论模型的示意图，并进行了分析3.介绍了行波管的设计原理，根据设计原理和数字化理论模型，详细介绍了H-FWG级联行波管的设计和分析4.．最后，本文进行了总结。

2.数字化非线性理论模型[14]

数字化非线性理论模型是MTSS开发并包含的准三维非线性理论模型[16］.通过HFSS、CST、HFCS等数值模拟软件得到任意SWSs的电磁场分布，然后利用能量守恒原理得到束流与电磁波之间的能量交换。因此，该数字化理论模型可用于分析使用不同周期高频结构的多种行波管的非线性性能。

在数字化非线性理论中，作用在SWS中传播的电子束的RF场表示为

射频电场磁场是由许多不同的时间谐波组成，其角频率为复振幅沿轴是．下标表示谐波数和和为电子束未加载时的射频场分布，由HFSS的电磁仿真得到[17),高果糖玉米糖浆(16),春秋国旅(18等等。一旦得到了射频场的剖面，就可以根据能量守恒定律推导出射频场振幅的演化规律，最终得到

在这里表示衰减常数，是结构的轴向周期长度，和为周期时间。是束流密度。其中时间段的个数是解决。和是相移吗一个周期内的第一个射频信号。

对于不同类型的慢波结构，和完全不同。不考虑慢波结构的分析模型，我们可以使用(1.)来获得电磁场，然后推动粒子进入光束。然后光束电流影响场的振幅通过这种循环，我们可以跟踪注波相互作用的过程，得到行波管的非线性性能。

3. TWT的设计原理

首先，要获得所需的输出功率和增益，必须仔细选择束波相互作用区域的隧道(FWG或螺旋)中的束电压和束密度，这是限制输出功率和增益的最重要因素。众所周知，输出功率可以通过光束电压估计吗，梁电流和电气效率;也就是说, 从 （3.)，我们得到束流: 而束波相互作用区域的隧道(FWG或螺旋)中的束密度为 在这里为光束半径，是波束填充率，以及为隧道的半径(FWG或螺旋)。另一方面，相对论因素可以通过 哪里电子电荷质量比和是光速吗，我们从光速中得到初始光束速度: 定义一个缓慢变化且无量纲的参数像 并结合(7.)及(8.)，隧道半径可以表示为 插入(9) (5.)，则光束密度最终可表示为 布里渊磁场是

基于某种行波管的电流密度限制(10)及(9），我们可以获得电压和输出功率之间的关系以及隧道半径和电压。选择适当的电子效率，光束填充率和参数后，可以选择合适的电压和隧道半径来满足我们的设计。

4.H-FWG级联行波管的设计

在H-FWG级联行波管的设计中，我们首先选择合适的电压和隧道半径，然后分别对螺旋行波管和FWG行波管的单波长和束波相互作用剖面进行优化。将这两个部分串联在一起，在55ghz到60ghz的v波段中，输出功率为800 W，增益为55 dB。

4.1.电压的选择

在这个v波段级联行波管设计中，我们首先设置一个合适的参数电子效率（我们开始了和为初始值)。螺旋行波管的束流密度选择小于150 A/cm^2.螺旋线行波管的填充比为0.45，功率容量较大的FWG行波管的束流密度为300 A/cm^2.填充比为0.75。使用(9)及(10），我们得到输出功率和电压之间的关系，以及隧道半径和电压，如图所示2.．

仔细优化后，为第一级螺旋TWT选择14.5kV的电压，其相应的输出功率为34W，螺旋半径为0.25毫米，显示为图中的黑色星星2.．对于FWG行波管，设置电压为20 KV，对应输出功率为800 W，隧道半径为0.3 mm，如图红色三角形所示2.．对于FWG TWT，目前的螺旋TWT和450 mA为32.5 mA。

4.2.螺旋线行波管的设计

选择带有三个APBN扇形支撑杆的简单螺旋SWS(如图所示)3.)除固定螺旋半径为0.25外，其他SWS参数的设计原则 mm，正在寻求合适的尺寸，以最大化耦合阻抗，并在55之间获得平坦的色散 GHz和60 经过仔细优化，螺旋SWS结构参数如表所示1.．螺旋节距范围为0.45 mm至0.55 mm。在后续的波束-波相互作用优化中，将以0.02 mm的步长模拟不同螺旋间距的螺旋SWS。

螺旋节距为0.45 mm ~ 0.55 mm的螺旋SWS的归一化速度、耦合阻抗和衰减常数如图所示4.．

对波束与俯仰和衰减剖面的相互作用进行了模拟和优化(如图所示)5.)，使用在本节讨论的模型上开发的仿真代码2.．通过在输出电路中使用输入电路和俯仰步骤中的额外衰减器，也考虑了BWO。最终将电路的间距设置为0.505mm，然后分别步骤0.49mm。输出功率和增益的轮廓-axis在57ghz时的情况如图所示6（a）和6（b）．饱和输出功率和饱和增益在带内如图所示6（c）. 显然，第一级螺旋线行波管的输出功率可以达到34 W和35的饱和增益 55分贝 千兆赫至60兆赫 千兆赫。

4．3．FWG行波管的设计

对FWG行波管也做了类似的优化(结构如图所示)7.）。为了获得大的耦合阻抗和合适的同步速度，我们扫描结构参数，最后将FWG SWS与表中列出的参数获得2.．

优化后的FWG SWS的归一化速度、耦合阻抗和衰减常数如图所示8.．我们可以看出，标准化速度的相对差异在图中的55 GHz到60 GHz的相对差异小于1％8（a），色散平坦性好，满足同步条件。如图所示8 (b)，在设计的V波段55GHz至60GHz的设计V波段55GHz内耦合阻抗大于2.5欧姆，并且可以预期强光波相互作用。可以发现，FWG SWS的损失远低于螺旋一个比较数字8 (c)和4 (c)．由于在螺旋行波管中是沿强场螺旋传播的表面波，所以在FWG单波长行波管中是波导边界上的光场。

为了确定FWG行波管的外形，已经进行了大量的优化过程，图中提出了高功率节距外形9. 选择服务器以缩短输入电路。注意，此处的节距指FWG SWS的半周期。

在57 GHz时输出功率和增益的性能如图所示10．饱和输出功率和相应的输入功率以及饱和增益如图所示11．显然，饱和输出功率大于800W，饱和增益大于55GHz至60GHz的18 dB。

在单独设计第一阶段Helix TWT和FWG TWT后，通过修改螺旋输入功率，将Helix TWT的输出功率与输入电源FWG TWT相同，保持FWG饱和的输出功率（见图12)然后，饱和FWG增益加上螺旋线行波管的增益即可得到饱和级联增益。如图所示13级联增益大于60 在55的V波段内可预期dB 千兆赫至60兆赫 千兆赫。

5.结论

基于MTSS建立的数字化非线性理论模型，设计了一种新型的高功率V波段级联螺旋线FWG行波管，预计输出功率为800 W和增益60 55分贝 千兆赫至60兆赫 千兆赫。简要介绍了能普遍处理注波相互作用的数字化非线性理论模型。在此基础上，推导了行波管的设计原则，并据此选择合适的电压和隧道半径。第一级螺旋线行波管的输出功率大于34 W和增益超过35 dB。对于级联型四波混频行波管，设计的饱和输出功率大于800 饱和增益大于18 5中的dB GHz带宽。结果，我们得到了800的预期输出功率 W和增益为60 由这两个行波管级联而成。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

确认

基金资助:国家自然科学基金资助项目(批准号:)。61201003)。

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