W波段大功率梯形线行波管的设计与仿真

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:胡银富

  针对W波段2GHz带宽范围内500W以上输出功率的系统应用需求,对一种新型贯通耦合式梯形线行波管进行了分析和模拟设计。通过CST微波工作室分析了这种贯通耦合式梯形线电路的冷特性参数,结果表明该种电路具有较高的互作用阻抗和一定的工作带宽。对结构参数的加工误差分析表明传统机械加工手段能够满足工程制管的需求。同时利用粒子工作室对该梯形线行波管的三维互作用工作特性进行了模拟计算研究。计算结果表明当工作电压21kV,电流400mA时,可以在94.3~97GHz范围内得到500W以上输出功率,最大输出功率740W,-1dB带宽超过2GHz。

  作为大功率微波产生和放大的真空电子器件,在雷达、通信、电子对抗、遥测遥控和精密制导等武器装备中发挥了核心作用。随着材料科学的发展、设计仿真能力的加强以及加工制造技术的进步,真空电子器件保持着持续的繁荣和活力。特别是在毫米波以及太赫兹频段的大功率应用领域,相比于固态器件,真空电子器件在高频率、大功率方面将占有绝对的优势。W波段真空电子器件类型则主要包括扩展互作用速调管、回旋管以及行波管等。其中行波管由于功率量级适中并具有较宽的带宽,受到各研究单位较高的重视。而在W波段一定的带宽内实现大功率输出是行波管发展的一个重要方向之一。目前W波段行波管国际上最先进的水平是输出功率约100W,电子效率约为2%~3%。

  W波段行波管目前最为常用的慢波结构主要有折叠波导以及梯形线两种,同时也有部分利用交错双栅、正弦波导、矩形槽波导等慢波结构开展W波段行波管的相关研究报道[。通常也将梯形线慢波结构称为耦合腔的一种,严格的说折叠波导也属于耦合腔结构的一种,与单交错梯形线慢波结构非常相似。作为全金属慢波结构,他们都具有很好的散热能力,适合于大功率应用。折叠波导由于结构简单方便加工、能量易于耦合,且相比于梯形线有着更宽的带宽,非常适合作为W波段宽带行波管的慢波结构,也是目前报道的实际器件应用最多的结构之一。但由于折叠波导的耦合阻抗相对较低,使得器件总效率和输出功率受到一定限制。相比较而言,对于带宽要求不高,需要大功率的应用场合,梯形线慢波结构则有着一定的优势,非常值得做更深入的研究。

  梯形线慢波结构最早在80年代由瓦里安公司的James和Kolda提出的,主要是解决休斯结构耦合腔在进入毫米波频段后尺寸太小带来的加工和装配精度无法保证的问题。它之所以叫梯形线慢波结构,主要是因为它的核心电路看上去像一个梯子。它可以在一块铜板上整体加工完成,相比于休斯结构耦合腔的堆叠装配焊接工艺有着更高的装配焊接精度。梯形线慢波结构根据腔体之间耦合方式的不同又可以分为贯通耦合式梯形线,单交错梯形线以及双交错梯形线几种。其中双交错梯形线的工作带宽是最宽的,已有文章利用Magic仿真在Ka波段内实现了1.4GHz瞬时工作带宽,在V波段利用这种结构实现了1.25GHz的3dB工作带宽。但是双交错梯形线由于耦合槽交替90°排列,结构相对复杂,给加工和装配焊接工艺带来了麻烦。而真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为贯通耦合式梯形线的电路加工相对较为简单,而且可以很容易地利用微细加工工艺实现,这对于短毫米波以及太赫兹器件的设计制造具有重要意义和实用价值。

  本文针对W波段2GHz带宽内500W以上输出功率的大功率行波管需求,利用CST微波工作室以及粒子工作室等三维仿真软件对贯通耦合式梯形线慢波结构进行了仿真设计研究。

1、冷特性参数模拟

  图1给出了贯通耦合式梯形线慢波电路的结构以及冷特性计算模型。

  通过梯芯以及上下盖板三部分焊接而成。这种结构相对于双交错梯形线更易于加工以及后续的装配焊接工艺,其中梯芯可以利用电火花线切割的方法加工。在上下盖板两侧对称的开了两个贯通式的耦合槽,用于各腔体之间的电磁场耦合。两个耦合槽比单个耦合槽的结构色散要更加平坦,相应的工作带宽要更宽一些。

贯通式梯形线慢波结构及其计算模型

图1 贯通式梯形线慢波结构及其计算模型

  利用CST微波工作室的本征模求解器计算其色散和耦合阻抗等冷特性参数。该模型的周期尺寸为p,单个腔体横截面尺寸为a×b,腔体间隙g,两侧的耦合槽尺寸为h×w。优化后的最终结构尺寸参数如表1所示。

表1 W波段梯形线电路结构尺寸

W波段梯形线电路结构尺寸

4、结论

  本文利用贯通耦合梯形线慢波电路对一种功率500W,带宽2GHz的W波段行波管进行了仿真设计。该电路冷特性模拟仿真结果表明该梯形线慢波电路相比于折叠波导慢波结构色散较强,冷带宽较窄,但耦合阻抗相对较高,对于带宽要求不高的应用系统具有重要的研究价值。针对这种慢波结构设计了一种输能耦合装置,该输能系统在92.5~97GHz范围内驻波系数均小于1.2,在很宽的带宽内实现了良好匹配。利用CST粒子工作室对行波管进行了全三维PIC互作用模拟,结果表明工作电压21kV,工作电流400mA的情况下,可以在94.5~96.5GHz范围内输出500W以上的输出功率,增益大于27dB,电子效率大于6%。值得一提的是,这种贯通耦合式梯形线慢波电路相比于双交错梯形线或者休斯耦合腔,更易于加工且可以和UV-LIGA等微细加工工艺相兼容,这对于短毫米波以及太赫兹器件具有重要的参考价值。

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