Ka 波段耦合腔行波管注波互作用分析

王 娟，吳 剛，蘇小剛

(北京真空電子技術(shù)研究所，北京 100015)

0 引 言

耦合腔行波管具有較高峰值功率、適度帶寬和良好的散熱能力等特點，在雷達(dá)、通信、遙感遙測等軍用和民用領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。其帶寬和功率介于速調(diào)管和螺旋線行波管之間，近年來逐步向更高的頻率和小型化方向發(fā)展［1］。國內(nèi)目前已研制出峰值功率300 W 和500 W 的彈載毫米波耦合腔行波管。以研制的Ka 波段300 W 耦合腔行波管為例，借助計算機(jī)輔助工具，對其高頻結(jié)構(gòu)的冷特性、注波互作用進(jìn)行分析，并結(jié)合實際測試情況，對比實際熱測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果。

1 耦合腔冷特性研究

行波管大信號分析首先需要計算慢波系統(tǒng)的色散特性和耦合阻抗，其分析方法一般有等效線路法和場分析方法［2～5］。采用MWS 仿真軟件，對耦合腔行波管的冷特性進(jìn)行仿真，其高頻系統(tǒng)采用休斯型慢波結(jié)構(gòu)。MWS 計算軟件是基于有限積分方法的全三維電磁場數(shù)值分析軟件，在給定的邊界和初始條件下，通過對Maxwell 方程組離散化后直接求解，可以準(zhǔn)確模擬各種復(fù)雜的慢波結(jié)構(gòu)，具有較高的精度，與實際結(jié)果吻合度高，計算得到的結(jié)果作為大信號計算程序的輸入條件。

1.1 色散特性

色散特性主要取決于慢波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，可決定行波管的工作電壓和工作頻帶。利用軟件中本征模求解器，對耦合腔慢波結(jié)構(gòu)的色散特性進(jìn)行仿真。頻率與相光速比的關(guān)系曲線，如圖1 所示，計算出耦合腔冷帶寬的上、下限頻率分別為Fc=39.512 GHz 和Fπ=31.628 GHz，滿足整管頻帶要求。

圖1 頻率與相光速比關(guān)系曲線

1.2 耦合阻抗

在計算得到慢波結(jié)構(gòu)的色散特性后，利用軟件后處理模塊進(jìn)一步得到慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗。在準(zhǔn)周期邊界條件下，計算的場為行波場，可以直接利用計算所得到的行波電場和磁場來計算坡印亭矢量，進(jìn)而在后處理模塊中利用面積分求出Prf

在準(zhǔn)周期的條件下，第n 次空間諧波電場幅值Ezn可以直接通過后處理模塊中的線積分求得

式中，Ezr(z)和Ezi(z)分別為軸線上軸向電場實部和虛部。

當(dāng)慢波結(jié)構(gòu)中場分布求得后，將Ezn和Prf代入式(3)，便得到耦合阻抗

工作頻帶內(nèi)的耦合阻抗的模擬曲線，如圖2 所示。同時慢波結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，不能單純的增加帶寬，或提高耦合阻抗，需兼顧等激勵帶寬、功率、增益和電子效率等方面的要求，尋求最佳設(shè)計方案。

圖2 頻率與耦合阻抗關(guān)系曲線

2 注波互作用分析

行波管冷特性確定之后，利用設(shè)計參數(shù)可借助大信號程序調(diào)試整管性能。在特定的帶寬內(nèi)保證功率、增益等參數(shù)達(dá)到用戶要求，且盡可能變化平緩，在行波管達(dá)到最高效率的同時給出能使用戶滿意的等激勵性能。整管慢波線的設(shè)計分為兩段，在切斷附近設(shè)置匹配腔和衰減器，采用漸進(jìn)分布的衰減器配置，設(shè)置主衰減、副衰減，保證冷測時在整個工作頻帶內(nèi)可以得到平坦且符合要求的匹配特性，并有效地抑制行波管的振蕩問題。

耦合腔注波互作用的分析采用一維大信號計算程序，該程序基于Curnow 等效線路模型的非線性理論，模擬電子注與電磁波非線性相互作用過程。同步電壓和等激勵輸入功率的選擇要盡量使工作頻帶內(nèi)的功率波動最小。通過對電子注電壓和輸入功率進(jìn)行掃描，如圖3、4 所示，找到平衡頻帶低端和高端的最佳參數(shù)，并盡量使頻帶內(nèi)的功率變化平坦。根據(jù)計算，確定同步電壓為14.6 kV，等激勵輸入功率為368 mW。

設(shè)定同步電壓和等激勵輸入功率后，對11 個工作頻率點進(jìn)行分析，軸向位置變化時，輸出功率、增益和效率隨軸向的變化曲線，如圖5 ～7 所示。由圖可得，在工作頻率范圍內(nèi)，可以獲得輸出功率在375 W 和441 W之間，增益大于30 dB，效率大于12%的較佳結(jié)果。

3 Ka 波段行波管測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比情況

現(xiàn)以中國電科12 所研制的2011-26JHJ 管的測試參數(shù)為例，對測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，該管靜態(tài)測試數(shù)據(jù)，見表1。各頻率點對應(yīng)的輸出功率、增益、效率的測試曲線，如圖8 ～10 所示，與上面大信號軟件仿真結(jié)果進(jìn)行對比。由圖可見，實際樣管在工作頻帶內(nèi)輸出功率在345 W 和408 W 之間，增益大于30 dB，互作用效率大于10%，兩者數(shù)據(jù)較為接近。

表1 靜態(tài)熱測數(shù)據(jù)

另外對研制的十幾支行波管進(jìn)行統(tǒng)計分析，并針對低、中、高頻三個頻率點的輸出功率及帶內(nèi)功率起伏情況做了總結(jié)，熱測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果比較，見表2。

表2 仿真數(shù)據(jù)與測試結(jié)果比較

通過實際測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，可以看到大信號程序的仿真結(jié)果同實際測試情況較為符合。在中心頻率f0附近模擬的輸出功率略偏高，低頻端和高頻端附近的輸出功率在實際管子熱測數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)，兩者數(shù)據(jù)較為接近，從而也對大信號程序進(jìn)行了驗證。

4 結(jié) 語

對Ka 波段300 W 耦合腔行波管注波互作用進(jìn)行分析，利用MWS 軟件的功能模塊，給出了由冷腔到非線性計算的整體思路。采用大信號計算程序?qū)ψ⒉ɑプ饔眠M(jìn)行仿真，并與實際制管的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，兩者數(shù)據(jù)較為接近，這對毫米波行波管的設(shè)計有一定的參考意義。

［1］LEGARRA J R，CUSICK J，et al.A 500W Coupled-Cavity TWT for Ka-Band Communication［J］.IEEE Trans.Electron Devices，2005，52(5):665-669.

［2］CURNOW H J.A Genral Equivalent Circuit for Coupled Cavity Structures［J］.IEEE Trans Electron Devices，1965，13(12):696-699.

［3］楊祥林.微波器件原理［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，1985:166-176.

［4］水啟剛.微波技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1986:280-298.

［5］吉爾默A S.行波管原理［Z］.