Ka波段双注折叠波导行波管的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:王书见

  分析了单注折叠波导行波管增益和带宽的限制因素,提出了采用双注结构提高单位长度增益和拓宽带宽的方法。模拟结果表明,在工作电压和单注电流相同的情况下,采用同速双注(两电子注速度相同)可将高频互作用系统饱和输出功率提升至单注时的2.8倍,互作用效率提高了1.4倍,增益饱和长度缩短了5个几何周期;采用非同速双注可在更宽的频率范围内满足同步条件,展宽了带宽。设计了一工作频率为25~29.5GHz的宽带折叠波导行波管,3dB增益带宽可达到16.5%,约占冷带宽(12GHz,22~34GHz)的38%,输出功率在27GHz时达到最大为256W。另外,文中对由电路内部反射引起的增益不稳定性进行了分析,并给出了解决方法。

  行波管(TWT)是微波频段应用最为广泛的电真空器件之一,尤其螺旋线TWT因其具有色散特性平坦、频带宽等优点,已被广泛应用于通信、电子对抗等微波电子系统,然而在短厘米和毫米波段螺旋线TWT的功率容量低、损耗大、散热困难,耦合腔TWT虽然能在毫米波段实现高功率输出但其频带窄。折叠波导是一种新型慢波结构,因其同时具备了频带宽、功率容量大、散热性能好且其结构简单、机械强度高、输入/输出耦合简单、高频损耗小等优点受到了国内外的广泛关注;然而,研究发现传统单注折叠波导TWT的耦合阻抗低,在达到饱和长度之前,可以通过增加慢波线的长度提高TWT的增益,但这会增加管子的整体尺寸和量,不利于真空器件的小型化。

  折叠波导TWT的冷带宽很宽,W波段可达到25%~30%,Q波段高达50%,但受到耦合阻抗和同步条件的双重限制中心单注折叠波导TWT的3dB增益带宽仅为10%左右,因此,提高增益带宽占冷带宽的比值是设计宽带TWT的关键所在。本文对工作于基模的双注折叠波导TWT进行了研究,结果表明:采用同速双注结构可弥补常规单注折叠波导耦合阻抗低的缺点,大幅度提高了单位长度增益、饱和功率以及互作用效率,相应减小了器件体积和重量;非同速双注能够在更宽的频率范围内满足同步条件,拓宽增益带宽。

1、单注折叠波导TWT

  折叠波导通常由弯曲矩形波导电场面制成,如图1所示。折叠波导TWT一般工作在基模,即类TE10模,在宽边中心位置电场幅值达到最大,因此把电子注通道放在宽边中心耦合阻抗最大,即使如此和螺旋线相比,常规折叠波导的耦合阻抗仍然较低,单位长度增益较小,考虑到折叠波导的高频损耗小,在达到饱和长度之前可以增加慢波线长度提高增益,但这势必会增加TWT的整体尺寸和重量;采用加载和脊波导形式可以提高折叠波导TWT的耦合阻抗,但带宽牺牲很大,不适合用作宽带TWT的慢波结构,另外,加载还会大幅度增强反射,增加了输出功率的波动性甚至引起振荡。采用TE10模假设、等效电路以及数值计算均可对折叠波导的高频特性进行计算,但三种方法的精度不同,TE10方法忽略了电路的周期性因此无法给出有关禁带的信息,等效电路方法虽然考虑了电路中不连续处对高频场的周期性反射,然而该方法给出的禁带位置和宽度误差较大,数值计算方法能更精确的计算电子注通道和弯曲波导对折叠波导高频特性的影响,因此本文利用三维电磁仿真软件HFSS对折叠波导TWT的冷腔特性进行分析。各尺寸的选择如下:a=6.8mm,b=0.7mm,h=2.5mm,p=2.0mm,r=0.5mm,其中a为矩形波导宽边尺寸,b为矩形波导窄边尺寸,h为直波导长度,p轴向周期长度,r电子注通道半径。

单注折叠波导TWT示意图

图1 单注折叠波导TWT示意图

  图2给出了单注折叠波导归一化相速度和耦合阻抗随频率的变化情况。从图中可以看出,在低频端耦合阻抗高,但耦合阻抗和归一化相速度随频率变化剧烈;在高频端相速度曲线变得平坦,但耦合阻抗低且随频率增高持续下降。图3是用MAGIC3D软件计算得到的单注折叠波导TWT的输出功率曲线,模拟中互作用电路长度为33周期(131mm),工作电流150mA,输入功率1.3W,电子注半径0.3mm。图3表明:①增大工作电压有利于提高最大输出功率,但最大输出功率所对应的频率向低频端移动且输出曲线变得更加陡峭,尤其是在低频端。工作电压高,电子注和低频电磁波能更好的满足同步条件,可以充分利用折叠波导在低频端耦合阻抗大的优点提高输出功率,因此,随着电压升高最大输功率增大且对应频率左移,但低频端相速度随频率变化剧烈,最佳同步只能在较窄的频率范围内实现,使得输出曲线更加陡峭。②在高频端输出功率随频率的增加平缓下降,造成这一现象的主要原因是耦合阻抗随频率的升高而持续下降。根据上述分析可知,限制单电子注折叠波导TWT增益的主要因素是耦合阻抗低,而其带宽则受耦合阻抗和同步条件的共同限制。为了突破折叠波导冷腔特性对其增益和带宽的限制,本文采用对称分布的双注结构。

单注折叠波导的高频特性

图2 单注折叠波导的高频特性

单注折叠波导TWT输出曲线

图3 单注折叠波导TWT输出曲线

4、结论

  本文对限制单注折叠波导TWT增益和带宽的因素进行了详细的分析,提出采用双电子注折叠波导结构提高增益和拓展带宽的方法,并通过仿真计算验证了该方法的可行性。计算结果表明,同速双注可以弥补折叠波导耦合阻抗较低的缺点,尤其是在低频端极大地提高了单位长度增益,因此在满足输出功率的前提下可缩短互作用电路长度;非同速双注可以在更宽的频范围内满足同步条件,有效的拓宽了增益带宽,提高了冷带宽的利用率。另外文中对由电路内部反射引起的增益不稳定性进行了分析,并指出通过减小电子注通道半径和增加波导窄边宽度均可以减小内部反射,扩展TWT的工作带宽。模拟中使用的模型结构完整并考虑了切断和损耗对TWT放大特性的影响对实际制管有一定的指导意义。

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