新型高功率毫米波源多间隙谐振腔扩展注波互作用系统的研究

带状注速调管(SBK)和扩展互作用速调管(EIK)是本领域近几年发展起来的两类新型的高功率微波毫米波源，尤其在毫米波、亚毫米波、甚至THz频段技术优势巨大，并在空间用国防武器装备及微波系统中具有非常重要而广阔的应用前景。.多间隙谐振腔及其扩展的注波互作用系统是开展SBK和EIK研究关键的共性基础科学问题和瓶颈技术，该研究在我国尚属空白。本项目重点开展多间隙谐振腔的模式选择、消除杂模、抑制振荡的理论与方法研究；构建基于多间隙腔扩展注波互作用的非线性理论；完成具有自主知识产权，可对SBK和EIK的注波互作用系统进行设计和优化，且执行效率优于现有PIC软件的2维/2.5维非线性注波互作用程序的开发，并以W波段SBK和Ka波段EIK注波互作用系统设计对其进行验证。本项目可解决国际上制约这类复杂系统设计所面临的巨大硬件资源需求和低效率问题，全面推动我国毫米波和亚毫米波SBK与EIK的发展与应用。

扩展互作用速调管(EIK)和带状注速调管(SBK)是本领域近几年发展起来的两类新型的高功率微波毫米波源，尤其在毫米波、亚毫米波、太赫兹频段技术优势巨大，并在空间用国防武器装备及微波电子系统中具有非常重要而广阔的应用前景。. 本项目针对EIK和SBK复杂多间隙谐振腔及其扩展注波互作用系统等共性基础科学问题和瓶颈技术，重点完成了多间隙平面梯形慢波结构谐振腔和多间隙平面哑铃型谐振腔的理论分析、三维仿真计算及其高频特性研究等工作；建立了基于非轴对称二维窄带宏粒子模型与多间隙腔注波互作用系统的非线性理论及其关键算法，分别完成了可对SBK和EIK的复杂注波互作用系统进行快速计算和参数优化的二维程序SBK2D和KLY6，其执行效率远优于现有三维PIC软件，并通过已有物理模型的计算与分析，对所开发程序的有效性进行了全面验证；通过对W波段SBK和EIK小尺寸高精度电子光学系统的优化设计，分别研制出的高真空密封束管获得了97%和90%以上直流通过率的测试结果；利用开发出的二维程序并结合三维PIC软件，对W波段SBK和EIK注波互作用系统进行了全面设计，获得了详细的物理模型，计算得到的W波段EIK输出功率约1.18kW，增益44dB，效率12%左右；计算得到的W波段SBK输出功率30kW，增益41.7dB，效率10.2%。本研究工作为后续工程化的新型高功率毫米波SBK和EIK的研制提供有效的物理模型和关键的物理参数，有望全面推动新型带状注器件和扩展互作用器件向高频率、高功率、高效率、小型化和紧凑型的发展，并促进这些新型高功率毫米波器件在空间电子系统中的应用。