Ku波段TE11模回旋行波管宽带输出窗设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:李生辉

  利用场匹配理论建立多层窗片结构输出窗的传输级联矩阵,设计出了可承受40kW的Ku波段宽带回旋行波管双窗片结构输出窗。用三维仿真软件HFSS进行模拟,并与MATLAB数值计算结果进行比较,两者结果吻合较好。在15~17GHz的频带内,圆形双窗片结构输出窗的反射数小于-17.7dB,传输系数大于S21>-0.08dB。对实验样品的冷测实验表明:在15~17GHz的频带内反射系数小于-17.5dB。

  回旋行波管与普通行波管相比,具有高功率的特点;与普通速调管、回旋速调管相比,具有高功率、宽频带的特点。它在雷达、通信以及电子战等领域有着十分重要的应用前景,因此在国际、国内倍受重视。输出窗是回旋行波管的关键部件之一。输出窗设计的好坏往往决定整管研制的成败。如果输出窗的反射过大,在高功率条件下返回到回旋行波管高频系统的功率增加,过大的反射将会引起工作模式和寄生模式的振荡,从而导致整管注-波互作用效率降低和输出模式纯度变差,甚至使整管不能正常工作。此外,如果输出窗的功率容量设计不足,在传输高平均功率时,容易造成输出窗因温度过高,热应力过大而损坏。因此,有必要对回旋行波管的输出窗进行研究,降低其反射,展宽其输出带宽,提高其功率容量,进而提高回旋行波管的性能。文献和文献分别利用场匹配法、等效电路法对回旋速调管单层窗片结构输出窗进行了研究。但单层窗片结构输出窗,由于其频带较窄,不能很好地满足回旋行波管宽带输出的要求;文献利用等效电路理论和网络传输矩阵理论对盒型窗和三层窗片结构矩形波导输出窗进行了研究,得到了很好的结果。

  针对研制Ku波段宽带高平均功率回旋行波管对宽带(S11参数小于15dB的带宽大于1.5GHz)、高功率容量(大于20kW)输出窗的需求。采用双层窗片结构圆波导输出窗作为回旋行波管的输出窗,可以有效地扩展输出窗的带宽。此外,为了提高回旋行波管的功率容量,一般采用过模圆波导输出结构,但这造成了输出窗的尺寸较大。如果单独利用高频系统分析软件对其进行仿真设计,会耗费大量的机时。本文首先利用场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对多层结构输出窗进行分析计算(该方法不仅可以完成多层窗片矩形窗的设计,而且可以完成多层窗片圆波导输出窗的设计),给出一种双窗片结构输出窗设计参数,然后再利用高频软件进行仿真验证,极大地缩短了设计周期。最后加工了实验样品,并对其进行了冷测实验。

1、理论分析

  波导中工作模式在输出窗内外的场分布及反射和透射系数可以用场匹配理论建立传输级联矩阵的办法来分析。文献对矩形多层窗片结构波导窗进行了理论分析与设计。本文利用场匹配理论和传输级联矩阵的方法建立多层窗片结构输出窗的普遍理论。该理论方法不仅可以用来研究矩形多层窗片结构波导窗,而且还可以用来研究多层窗片结构圆波导输出窗,具有更广泛的适用性。假设入射波为TEmn波,输出窗半径不发生变化,i个窗片都是同一材料。i个窗片就有2i个分界面,每个分界面就是两个不同介质区域的交界面,对第l和l+1区的横向电场和横向磁场分别为

横向电场和横向磁场

3、冷测试验

  输出窗冷测实验,采用的是单端口反射法,使用矢网分析仪测量。图9是实验原理。图10为冷测实验所得S11参数,在15GHz和17GHz之间,S11参数小于-17.5dB。由图4和图10比较可知仿真计算结果与冷测结果较吻合。

冷测试验原理图

图9 冷测试验原理图

冷测所得S11参数

图10 冷测所得S11参数

4、结论

  本文利用场匹配理论建立传输级联矩阵的方法对多层窗片结构输出窗进行了理论分析和数值计算。设计了一种40kW级Ku波段TE11模回旋行波管的宽带双窗片结构输出窗。经HFSS仿真,S11参数小于-1717dB时工作带宽达到2GHz。对加工的实物样品进行了测试,S11参数小于-1715dB时工作带宽为2GHz。理论仿真和实物测试结果一致性较好。以上的研究工作为研制Ku波段TE11模回旋行波管提供了技术支持。

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