行波管高频结构及衰减的模拟(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:占存辉

  耦合腔行波管是一类重要的微波器件,具有功率大、增益高、带宽宽等优点,在雷达、通信、遥测等领域有广泛的应用。但耦合腔行波管结构特别精细,加工工艺相当困难,而且工作频率相当高,给微波测试带来了一系列高难要求,费用也很高。因此,在耦合腔行波管设计开发过程中,为了降低研究成本,我们要借助软件对其进行仿真。

1、高频结构参量及衰减的优化模拟

  高频结构设计的好坏直接关系到行波管能量交换效率、工作频率范围、带宽以及工作模式等。因此高频结构的分析计算是行波管设计必须和关键的工作。加工的实验管采用技术上比较成熟的常规休斯型耦合腔链高频结构,见图1。通过实验冷测,我们发现前加工的休斯型耦合腔行波管通频带性能较差,驻波比比较大,而且波动比较厉害。这说明管子的内部反射很大,输能装置不匹配。而产生自激振荡的一个重要原因就是管子的内部反射,为了防止自激振荡,我们设置了集中衰减器。

休斯腔慢波结构

图1 休斯腔慢波结构

  为了改善管子的性能,减小通频带的带内波动,降低管子的驻波比,我们从冷测和CST 软件模拟出发,做了下面一些优化工作。

  首先,优化耦合腔间隙G。行波管工作于腔通带,基波是返波,电子束和前向谐波发生互作用并交换能量,这时行波管工作于慢波线通频带的中心频率时线上每周期相移为βl=3π/2 。考虑相对论效应并求出电子枪加速电压20 kV 对应的电子速度Ve,即可确定与之同步并进行能量交换的高频信号的相速Vp,由Vp=2πfl/φ可确定相移φ=3π/2,中心频率为2.5G时休斯腔单腔长度l 的尺寸。而腔间隙电子渡越角一般在π/2-π,对应G 的应为l/3-2l/3。软件模拟发现G=0.41l 时通带性能较好, 满足此范围。

高频结构参量模型

图2 高频结构参量模型

  再次,优化耦合槽的大小和角度,其它保持不变。

  耦合系数k 定义为被耦合槽截获的电流与耦合腔中传导的电流的比值。经简化,耦合系数为耦合槽的面积与形成槽环的面积比,即:

k=α/2π +rs2/Rs2

  槽的有效长度为:ls = 2π + Rsk耦合槽也可近似看作两端短路的TEM 波平板传输线,谐振时槽的长度ls 恰为槽孔谐振波长的一半,此时ωs = πc/ls行波管工作于腔通带,槽通道在腔通带上,此时要求ωs 较高,从而要求ls 较小,这样就限制了耦合槽的尺寸,也限制了耦合系数k 不能太大。通过软件CST模拟优化耦合槽张角α ,rs和Rs,通过模拟发现,张角增大,槽孔变大,通频带变宽, 而且当α 在90°附近时通带性能较好。

  最后,优化吸收衰减,改变吸收衰减的形状,厚度,位置。通过本征模拟,发现电场主要分布在靠近加载头两侧的区域。当加载头为外圆锥和内圆锥状时,电场向腔壁和中心轴线方向迅速减弱,加载头为圆筒状时,电场主要分布在圆筒横截面圆环区域,此区域电场变化不大,电场最强点分布在截面圆环内环处。电场向腔壁迅速减弱, 向中心轴线方向慢慢减弱,中心减弱到电场最强点的75%。将柱形衰减放在电场分布强的区域(如图2)有利于信号的吸收衰减,反射小的多,驻波比明显变好,模拟结果如图3。

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