V波段新型夹持杆螺旋线慢波系统的模拟研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学微波电真空器件国家级重点实验室 作者:肖 清

  介绍了一种V波段新型夹持杆螺旋线慢波系统。运用HFSS软件计算了新型慢波系统的高频特性,与传统慢波系统的高频特性进行了比较。分析了夹持杆内金属块各尺寸参数对新型慢波系统高频特性的影响。用2.5维大信号互作用程序对其注-波互作用进行了模拟,计算结果表明当工作电压和电流分别为9.3kV和75mA时,最佳金属块尺寸时新型慢波系统的整管在56~64GHz频率范围内输出功率大于60W,增益大于54dB,电子效率大于8%。

  在微波毫米波频段,行波管是应用最广泛的电真空器件,具有频带宽、增益高、输出功率较大和工作寿命长等其他器件无法比拟的显著特点,因而广泛应用于通信和电子对抗等领域。慢波系统是行波管的核心部件,是电子注与高频场相互作用并交换能量实现微波信号放大的重要场所。螺旋线是一种重要的慢波结构,广泛应用于行波管等微波电真空器件中。国内外很多学者对螺旋线进行了深入的研究。

  实际宽带螺旋线行波管中的慢波系统一般会加载金属翼片和介质,来改善色散特性,增加行波管的工作带宽。当螺旋线行波管的工作频段上升到毫米波段,由于结构尺寸小,翼片形状复杂不易加工,介质夹持杆因强度低也容易断裂,导致实际慢波系统加工和装配比较困难。基于上述问题,本文提出了一种新型夹持杆螺旋线慢波系统(图1),其中夹持杆主要有圆形夹持杆和矩形夹持杆两种类型,夹持杆内分别加载圆形和矩形金属块。采用介质与金属一体化,可以提高夹持杆的强度和新型慢波系统的稳定性,从实际加工的可行性考虑,本文只研究矩形夹持杆。文中用高频仿真软件HFSS对新型慢波系统的高频特性进行了计算,分析了矩形夹持杆中矩形金属块各尺寸参数对高频特性的影响。用2.5维大信号互作用程序完成了V 波段注-波互作用的模拟,从输出功率、增益、电子效率和非同步参量等角度对新型慢波系统进行了分析。

新型夹持杆螺旋线慢波系统示意图

图1 新型夹持杆螺旋线慢波系统示意图

  1、高频特性分析

  慢波系统的两个重要高频特性参量是色散和耦合阻抗。色散表征了电子注与高频场同步的条件,关系到行波管的工作电压、工作频率、频段宽度和工作稳定性等一系列重要指标。耦合阻抗表征注-波互作用的有效程度,决定了行波管的功率、电子效率和增益等。

  1.1、物理模型

  传统螺旋线慢波系统一般由一个螺旋线和3个对称的矩形介质夹持杆以及一个金属管壳构成,其中螺旋线和夹持杆采用面接触(图2)。为提高夹持杆的强度和柔韧性,增强慢波系统的稳定性,在矩形夹持杆的中央引入一矩形金属块,得到一种新型慢波系统(图3)。其中a为螺旋线内半径,b为螺旋线外半径,c为管壳半径,w 为夹持杆宽度,g 为矩形金属块宽度,h为金属块高度,d为金属块到管中心的距离,另设螺旋线宽度为δ。

V波段新型夹持杆螺旋线慢波系统的模拟研究

图2 传统慢波系统示意图

图3 新型慢波系统示意图

  3、结论

  本文提出了一种V 波段新型夹持杆螺旋线慢波系统。新型慢波系统夹持杆中加入矩形金属块不仅提高了夹持杆的强度,增强了慢波系统的稳定性,而且明显改善了慢波系统的色散特性,有助于增加行波管的工作带宽。通过优化新型慢波系统,并进行注-波互作用的模拟,使得整管在56~64GHz频段内输出功率可以达到60 W,增益可以达到54dB,电子效率可以达到8%。这对探索和研究V波段宽带螺旋线行波管具有一定的指导意义。

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