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毫米波的波长介于微波和光波之间,在雷达、通讯、科学研究等领域均有广泛的应用前景。速调管具有增益高、效率高、功率高等优点,是毫米波段重要的微波源之一。但是由于速调管的尺寸与频率的共度效应,在毫米波段工作时存在高频损耗大、功率容量低等问题。扩展互作用速调管由于采用了多间隙耦合腔作为谐振腔,能够解决传统的单间隙速调管在毫米波段工作时遇到的这些问题。论文针对W波段扩展互作用速调管进行了理论分析和数值模拟。分析了采用多间隙耦合腔提高速调管注波互作用效率的原因。根据等效电路模型,推导出在理想状态下,只要能保持电子注与慢波相速的同步,就可以通过增加扩展互作用谐振腔的间隙数来提高注波互作用效率、展宽频带和提高输出功率容量的结论。在高频结构的设计中,主要有以下几个关键点:谐振腔结构的选择,工作模式的选择,波导和输入腔之间的匹配,速调管的工作稳定性。理论分析表明扩展互作用谐振腔中各个间隙之间场分布越均匀,注波互作用效果越好。π模和2π模的场分布比其他模式的场分布均匀得多,所以通常以这两个模式作为工作模式。为了实现最佳的互作用效果,选择π模作为工作模式。为了提高扩展互作用谐振腔中π模的均匀性,谐振腔采用双周期结构。由于电子负载电导对速调管输入腔的匹配以及工作稳定性都有较大影响,所以分别基于动力学理论和空间电荷波理论,在小信号条件下对电子负载电导表达式进行了推导。将理论分析结果与软件模拟结果进行对比,由动力学理论得到的电子负载电导仅适用于电流较小的情形,而由空间电荷波理论得到的结果与软件模拟结果比较符合。对扩展互作用谐振腔和传统单间隙谐振腔的电子负载电导的特性进行了研究。研究表明,采用扩展互作用谐振腔能够在更大的范围内对电子负载电导进行调节,从而可以实现对谐振腔有载Q值的大范围调节。基于理论分析对W波段扩展互作用速调管进行了模拟优化设计,最终在束压17 kV,束流0.34 A的条件下,MAGIC粒子模拟得到591 W的输出功率,频率94.8GHz,效率10.2%,增益达到43 dB,–3 dB带宽约为150 MHz。相同的结构在CST软件中的粒子模拟结果为:输出功率为600 W,频率94.82 GHz,电子效率为10.4%,增益为43 dB。CST软件模拟结果与MAGIC软件模拟结果比较吻合。