W波段高功率回旋行波管宽带输入窗设计

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

  利用场匹配理论和传输级联矩阵建立多层介质窗的分析方法,对回旋行波管输入窗进行解析分析。在理论分析的基础上,通过数值计算得到回旋行波管宽带输入窗的初步结构和尺寸,然后再利用三维高频分析软件HFSS 进行仿真和验证。通过优化设计,在W 波段获得了传输系数大于- 0. 04 dB,反射系数小于- 20 dB 的带宽大于8 GHz 的宽带输入窗。冷测实验表明冷测结果与设计参数较为吻合。

  高功率毫米波回旋行波管在成像雷达、毫米波通信系统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。在毫米波波段,回旋行波管与普通行波管相比,具有高功率的特点,在W 波段,普通行波管的输出功率一般不到100 W,而回旋行波管在此波段则能产生100 kW以上的输出功率; 与大多数普通速调管和回旋速调管相比,其具有频带宽的特点,大多数普通速调管和回旋速调管一般输出3 dB 带宽不超过1%,而回旋行波管的输出带宽则超过3%。输入窗是回旋行波管的关键部件之一,它的作用是实现回旋行波管管体内的真空环境与大气的隔绝,同时能在低反射、宽频带的条件下输入驱动信号。输入窗设计的好坏对整管的带宽和增益有较大影响。如果输入窗的反射过大,输入带宽较窄,将大大降低整管的增益和带宽。因此,有必要对回旋行波管的输入窗进行研究,降低其反射,展宽其输入带宽,进而提高回旋行波管的性能。

  对于Kα 波段的回旋行波管和回旋速调管,其输入窗的一般采用矩-圆-矩盒型窗结构,并取得了成功应用。但在W 波段,若采用矩-圆-矩盒型窗结构蓝宝石输入窗,则输入窗片的厚度将变得非常薄,只有0. 1 mm 左右,这给蓝宝石输入窗的加工和焊接带来很大难度。鉴于此,采用多层窗片结构是W波段回旋行波管输入窗的理想方案,该结构输入窗不仅满足低反射、宽带宽的要求,而且蓝宝石输入窗片的厚度达到0. 5 mm 左右,易于加工和焊接,整管的真空气密性得到了保障。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窗片结构输入窗进行解析分析计算,完成双窗片结构蓝宝石输入窗初始结构尺寸参数的设计。再利用三维高频分析软件HFSS 对初始结构尺寸参数进行仿真优化,同时加工了测试样品,通过冷测实验进行验证,大大缩短了输入窗的设计周期。

1、理论分析

  为了展宽回旋行波管输入窗的输入带宽,本文采用双层窗片结构的输入窗,以达到增加输入窗带宽的目的。图1 为双窗片结构输入窗的3 维模型。

双窗片结构输入窗3 维模型

图1 双窗片结构输入窗3 维模型

  输入窗的传输波导中工作模式在输入窗内外的场分布及透射和反射系数可以通过场匹配理论建立传输级联矩阵的办法来分析。对n 层窗片结构的输入窗,可以看成2n + 1 个介质填充波导的2n个介质交界面。对于第p 个填充区域,其磁导率和介电常数为μp和εp。

结论

  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窗片结构输入窗进行解析分析计算,再利用三维高频分析软件HFSS 进行建模仿真优化,在W 波段完成了输入带宽大于8 GHz 的双窗片结构蓝宝石输入窗的设计。同时根据设计参数加工了测试样品。通过冷测实验,在W 波段该样品的反射系数小于- 20 dB 的输入带宽大于8 GHz。以上的研究工作为W 波段高功率回旋行波管输入窗的研制提供了技术支持。

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