V波段微带线行波管慢波结构的设计

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:廖 雷

  提出了一种新型的微带线慢波结构。与传统的N型微带线慢波结构相比,新型结构具有相速值较小、工作电压低、功率大、耦合阻抗高等特点。利用HFSS和CST分别对此结构在V波段进行高频特性、传输特性和注-波互作用仿真,得出在60GHz频点耦合阻抗大于20Ω,在55~63GHz频段内VSWR<1.5;当输入功率为100mW 时,并且带状电子注的电流和电压分别工作在100mA和5kV的条件下,该行波管慢波结构的最大输出功率为115W,平均互作用效率为14.6%,瞬时3dB带宽为5GHz(56~61GHz)。

  现代军事应用和国民经济众多领域,如相控阵雷达、电子对抗、微波中继通信系统等迫切需求结构和加工工艺简单、成本低、体积小、重量轻的小型化行波管。而且微波管所用的慢波结构的尺寸变得越来越小,现在的加工工艺对传统的螺旋线慢波结构的加工已经不能满足要求,微带线慢波结构的加工工艺简单、成本低、能够规模生产,具有很大的应用潜力,早期美国A.W.Scott研制出了以微带曲折线作为慢波结构的印制行波管。这种印制行波管用带状电子束,比起传统行波管所使用的电子通道的尺寸要小,其微带慢波结构的加工工艺可以采用成熟的二维微机电系统(MEMS)技术,所以这种印制行波管是将行波管小型化的主要研究方向之一。目前国内外对印制行波管的慢波结构的研究主要集中在微带曲折慢波结构,中电集团第十二研究所对传统的微带型曲折线慢波结构进行了详细的理论分析和仿真计算,电子科技大学对V型曲折线进行过深入的研究。为了开发出更高频段和效率的印制行波管,缩小行波管的尺寸,我们提出了一种新型微带线慢波结构。

  本文利用HFSS对相同尺寸下的传统微带慢波结构和新型结构进行了高频特性的模拟仿真,研究了此新型微带慢波结构的传输特性。最后利用CST的粒子工作室(PARTICLE STUDTO)对此慢波结构的注-波互作用进行模拟计算。

1、新型微带慢波结构的理论研究

  行波管作为放大信号的器件,它的慢波系统必须满足两个条件,一个是行波速度与电子束速度基本相同,用色散曲线表征,实验中通过设置周期性边界条件,扫描相移的角度完成。利用HFSS的本征求解器求解,指定一个周期的相移为θ,求解出模型的谐振频率f ,就有:

V波段微带线行波管慢波结构的设计

  式中β0为基波的传播常数,p 为结构的单个周期横向长度,βn为第n 次空间谐波的传递常数,改变相移θ数值,就可以得出相对应的vp-f 曲线。另一个是高频场在纵向分量上与电子束发生互作用,用耦合阻抗表征。耦合阻抗定义为:

V波段微带线行波管慢波结构的设计

  式中E2 zm为纵向场的幅值,P 是慢波结构上的功率流。在实验中可以采用在模型当中加入介质棒,用介质微扰法测量模型的耦合阻抗。通常介质棒加载到微带表面上方,用谐振法求出前后的谐振频率。对式(5)的求解,通过提取微带线慢波结构中的纵向电场幅值和功率流,从而得出耦合阻抗,在实际工程中这种方法也有广泛的应用。对HFSS进行宏编程,直接将得到的数据转换成曲线,这种方法减少了介质棒的大小而引入的人为误差,从而使计算结果更接近于模型物理本质。

V波段微带线行波管慢波结构的设计

  式中,f 为加入介质棒前的谐振频率,Δf 为加入介质棒后的谐振频率,ε,ε0为扰动介质棒和真空中的介电常数,a为介质棒的半径,vg为结构的群速。

2、注-波互作用的模拟结果

V波段微带线行波管慢波结构的设计

图7 输入和输出信号

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图8 输出信号频谱图

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图9 输出信号幅频特性图

  基于以上优化过的尺寸,利用CST的粒子工作室对此慢波结构在V频段的注-波互作用进行模拟计算。将单个微带线周期用190个相连,输入输出用同轴线连接。介质基底板采用介电常数较低的氮化硼,介电常数为4,取一段矩形金属块模拟带状电子注的发射枪,取电流为100mA,电压为5kV,输入的激励信号功率为100mW,聚焦系统采用的是1T的均匀磁场。图7给出了在60GHz频点的输入和输出信号图,从图中可以看出,输出信号被放大了数十倍,输出信号在输入信号发出后1.25ns时达到稳定。将输出信号进行傅里叶变换,得出输出信号的频谱图,如图8所示,可以看到从0~120GHz内的输出信号频谱都相当纯净,几乎没有谐波。图9给出了此慢波结构在55~63GHz的频带内的输出信号幅频特性图,带状电子束和高频电磁场的注-波互作用在60GHz时,达到了最大输出功率115W,瞬时3dB 带宽为5 GHz(56~61GHz),相对应的平均电子注效率为14.6%。

3、结束语

  本文分析了一种新型微带曲折线慢波结构,通过与传统的微带慢波结构的色散特性和耦合阻抗进行比较,得出新型结构具有相速值较小,工作电压低,低频段耦合阻抗高等特点。研究了新型微带线慢波结构的传输特性,得出该结构具有良好的驻波比。通过注-波互作用的模拟计算,得出该结构的工作电压仅为5kV,大大小于传统的行波管慢波结构的工作电压,因此这一改进降低了实际应用中电子枪的设计。

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