W波段平面线形排列多注分布作用管谐振腔的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院电子学研究所 作者:韦雪真

  通过三维仿真软件CST-MSW 建立了平面线形排列的多注分布作用速调管五间隙谐振腔的物理模型,获得了结构参数对腔体的场形、特性阻抗等相关冷参数的影响。在工作模式频率相同的情况下,对平面线形排列的多注分布作用速调管五间隙腔体和带状注速调管传统的哑铃型五间隙腔体参数进行了对比分析。研究表明,平面线形排列的多注分布作用速调管谐振腔具有结构稳定、有效互作用阻抗高等优点。同时还发现在一定频带范围内这种平面线形排列的多注分布作用速调管谐振腔具有较少的非工作模式,这对实际工程制管具有重要指导意义。

  平面线形排列的多注分布作用速调管是在传统带状注速调管(SBK) 的基础上发展而来,是一种新型的微波器件,它继承了带状电子注的优点,在一维方向上扩展为较大的尺寸,另一个维度上满足频率与几何尺寸共度性效应,同时有效降低了阴极的电流发射密度和空间电荷力,具有体积小、重量轻、结构紧凑等优势 ,同时可以避免带状电子注在传输过程中容易造成的扭结和不稳定性等问题,有望在高频段乃至太赫兹频段获得高功率微波输出,因而在军用空间武器和空间微波系统中具有明显的技术优势和巨大的发展前景。

  早在1999 年,俄罗斯的M. Yu Vorobyev 和I. A.Freydovich在电子学和超高频射电物理学会议上报告了平面排列电子注的多注速调管设计方案,但是当时受到计算机发展水平和三维模拟软件的限制,电子枪的设计存在缺陷,实验并没有得到预期的效果。后来,俄罗斯的A. V. Galdetskiy提出了一种新型的采用类似带状电子注电子枪的平面线形排列多注速调管的设计方案,为此类新型器件的研制奠定了基础。

  本文具体介绍了这种平面线形排列W 波段五间隙多注速调管分布作用谐振腔的模拟设计,分析其沿x、y以及电子注运动方向各尺寸变化时,谐振腔各参数的变化情况,并与传统五间隙带状注分布作用谐振腔进行了对比研究。

1、谐振腔及其物理设计

  平面线形排列多注分布作用速调管继承了带状注速调管的优点,为使横向电场均匀,电子注能与电场进行高效的注波互作用,其高频谐振系统依然采用哑铃型谐振腔,谐振腔中间部分为一段波导,波导末端为两个大小相同的耦合腔,其尺寸与中间波导不同。如图1 所示,给出了该型速调管谐振腔的结构图及XY 和XZ 视图。这种平面线形排列的多注分布作用速调管,其多个电子注在漂移管内有各自的通道,因此无相邻电子注电场力的作用。与带状注相比,采用这种新型结构有效避免了电子注在磁场作用下的扭结问题,同时,由于每个电子注通道内的电流较小,使得在获得高的谐振频率的同时又不会激起自激振荡。

平面多注与带状注五间隙谐振腔结构图

图1 平面多注与带状注五间隙谐振腔结构图

  对于多间隙腔体,其单个间隙上的电场要比单间隙腔降低了很多,不容易出现电压击穿,考虑到这一点,在此选用了典型的五间隙谐振腔为例来研究多间隙腔体的一些特性。图1(a) 左侧即为用CSTMSW仿真软件建立的平面线形排列多注分布作用速调管五间隙谐振腔的物理模型。w 、h、z 分别为中间波导沿x 、y、z 方向的尺寸,w2、h2、z 2 分别为耦合腔沿x 、y、z 方向的尺寸,h3 为电子注直径,d1 为电子注之间的间距,d 为多间隙的间距。其中,d2=4.9 mm,d1= 1.4 mm,d = 1.55 mm,z3= 10 mm,z 2=7.2 mm,这些尺寸在谐振腔结构优化调整时是不变的。基模谐振频率为94.43 GHz,Q0= 1600.71,R/ Q= 110.46 8,此处R/Q 为八个电子注通道的平均阻抗。在工作频率相同的情况下,相应五间隙带状注谐振腔的Q0= 1770.73,R / Q= 124.07 8 。速调管的谐振腔一般采用工作在TM110模式的哑铃型谐振腔。

  图2 即为平面线形排列多注分布作用速调管与带状注速调管电场Ez 沿中心线及z方向的电场分布。

平面多注与带状注电场Ez 沿不同方向的场强分布

图2 平面多注与带状注电场Ez 沿不同方向的场强分布

结论

  本文主要在三维仿真软件CST-MWS 平台上,对这种基于带状注的平面线形排列多注分布作用速调管谐振腔进行了设计和模拟。分析了五间隙腔体结构参数对特性阻抗以及场形的影响,找出了影响腔体场形及特性阻抗的敏感参数。同时分析了谐振腔内的模式竞争,并与带状注相应间隙谐振腔就一些参数变化进行了对比,结果表明,这种结构的速调管不仅避免了电子注在磁场作用下的扭结问题,而且无论场形、阻抗以及其频率对参数的敏感程度都要比带状注谐振腔低很多。本文研究结果对于提高W 波段速调管的注波互作用效率具有重要的参考价值。

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