行波管高频结构及衰减的模拟(2)

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

变衰减优化高频参量的驻波比

图3 变衰减优化高频参量的驻波比

2、色散特性的计算

  根据上面优化的结构参量结果,运用CST 软件对耦合腔慢波结构高频特性进行模拟。分别在腔体的镜像对称面处设置不同的电壁或磁壁,耦合腔的镜像对称面通常就在两个端面处,由谐振法理论可知,当慢波电路的长度为半波长的整数倍时,可得到对应驻波的谐振频率。因此,在给定慢波电路的周期数下,可得到谐振频率与相移角度之间的对应关系。在耦合腔中电子注由于只与慢波电路中的一次前向谐波发生互作用,需要再加π 个相位,于是得到腔模下七个慢波电路周期数对应的不同边界条件与相移角度之间的关系。

  根据边界条件本征求解得到与七个相移角度对应的前七个模式的谐振频率,计算色散特性,计算公式为:Vp = 2πf L/φ

  式中f 为模拟得到的谐振频率,l为耦合腔单周期长度,φ 为与f 对应的相移角度。算出相速,归一化处理。具有强烈色散的慢波系统能得到较高的耦合阻抗。但是dvp/dω 不仅影响着耦合阻抗的大小,而且还影响着慢波系统的带宽,电磁波的dvp/dω 越大,一定速度的电子流能与之近似同步的频率范围就越窄,即频带越窄,耦合阻抗与带宽两者往往是矛盾的。图4 给出了腔通带各模式的归一化相速,可以看出,优化前的色散比较强烈,优化后的色散特性较好,除通带上下两个截止频率附近的模式相速相差较大外,通带内的相速特性较为平坦,其中2.45G- 2.95G 通带内归一化相速仅相差0.02。实际冷测显示,优化前的通带很窄。

归一化后的色散曲线

图4 归一化后的色散曲线

3、结论

  通过优化模拟和冷测实验发现,改变高频结构参量和衰减后,驻波和色散有了明显的改善。我们参照优化模拟结果重新加工的管子改变了腔间隙,耦合槽张角及衰减的形状位置,其他尺寸和前加工的管子一样,冷测实验显示,七节时通频带2300M- 2800M 内驻波比小于2,13节时通频带2500M-2750M内驻波比小于2,都和模拟优化结果接近。

  下面是实际冷测实验图

前加工行波管冷测驻波比优化后行波管冷测驻波比

图5 前加工行波管冷测驻波比 图6 优化后行波管冷测驻波比

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