矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)高頻特性分析*

胡文 魏望和 鐘輝 于燦

(江西理工大學(xué)理學(xué)院,江西贛州 341000)

0 引言

大功率和小尺寸是行波管發(fā)展的兩個(gè)主要目標(biāo)[1-2]。慢波結(jié)構(gòu)在行波管中起著非常重要的角色[3-4]。圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)(CRB)相對于圓螺旋線慢波結(jié)構(gòu)雖說散熱性更好[5-6],耦合阻抗更高,但其頻帶卻比較窄,無法滿足于未來行波管寬頻帶,高功率的需求。而且,圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)所采用的圓形電子束存在自身較強(qiáng)的空間電荷效應(yīng),使得輸出功率受到限制,本身也不利于微細(xì)加工處理。

為了進(jìn)一步擴(kuò)展帶寬,提高輸出功率,既能與帶狀注進(jìn)行注-波互作用,同時(shí)又可以與微細(xì)加工技術(shù)相兼容?；谏?在前人提出的圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)(RRCB)正好解決了這個(gè)問題。利用HFSS仿真軟件研究慢波結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)色散和耦合阻抗的影響,并在相同相速下對比了圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性,為實(shí)際矩形環(huán)中心桿行波管的研制提供前期基礎(chǔ)和參考。

1 矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)模型

圖1分別給出了圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)和矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)。其中,r1和r2分別是圓環(huán)的內(nèi)半徑和外半徑,t和w分別是圓環(huán)的厚度和寬度,Wring是桿的寬度,p是圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)的周期長度。在矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)中,a和b分別是矩形環(huán)橫截面的寬度和高度,t和w是矩形環(huán)的厚度和寬度,c和d分別是金屬屏蔽筒的寬度和高度,p是矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)的周期,wd和hd分別是夾持桿的寬度和高度。圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)不像矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)一樣具有類似于平面類慢波結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),不方便運(yùn)用微加工技術(shù),此外,矩形環(huán)中心桿更方便與帶狀電子注進(jìn)行注-波互作用。

圖1 圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)和矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)模型圖Fig.1 The model diagram of the slow wave structure of the circular ring rod and the slow wave structure of the rectangular ring center rod

由于矩形環(huán)中心桿四個(gè)角存在奇異點(diǎn),若采用場匹配等理論分析方法進(jìn)行研究則存在較大困難。本文采用高頻電磁仿真軟件HFSS對矩形中心桿慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性進(jìn)行分析,用于揭示慢波結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對系統(tǒng)高頻特性的作用規(guī)律。

2 矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)高頻特性

2.1 慢波結(jié)構(gòu)參數(shù)對高頻特性的影響

矩形環(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)屬于前向波系統(tǒng),其對微波信號的放大機(jī)理在于慢波結(jié)構(gòu)中傳播的基模和電子注的注-波互作用。于是,本文只分析基模的高頻特性。在高頻電磁仿真軟件HFSS中建立了一個(gè)周期長度的矩形環(huán)中心桿模型結(jié)構(gòu),利用HFSS軟件中的本征模求解器對慢波線各參數(shù)進(jìn)行掃描和計(jì)算。圖2給出了慢波結(jié)構(gòu)的色散和對應(yīng)中心軸線上耦合阻抗隨矩形環(huán)寬高比的變化趨勢。

矩形環(huán)中心桿結(jié)構(gòu)尺寸為b/a=2,a=0.314,w=0.07,t=0.06,p=0.43,wd=0.092,hd=0.144(單位:mm)。在橫截面周長一定且其他參數(shù)不變的情況下,改變寬高比b/a的值,讓b/a的值由1增加到3,間隔1計(jì)算一次。由圖2可知,隨著寬高比b/a的增加,耦合阻抗升高明顯,相速變化不明顯,只是在高頻段略有減小。這表明,獲得更高的耦合阻抗可以通過適當(dāng)增大橫截面寬高比來實(shí)現(xiàn)。

圖2 矩形橫截面寬高比b/a的變化對高頻特性的影響Fig.2 The effect of the change of the aspect ratio b/a of the rectangular cross section on the high frequency characteristics

2.2 與圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)對比

兩種慢波結(jié)構(gòu)性能的比較通常有以下兩種方法。一種方法是調(diào)節(jié)參數(shù)使得在中心頻點(diǎn)處兩者相速度相等,然后比較耦合阻抗大小[7]。另外一種方法是在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下對比[8]。這里,采用第一種比較方法,即保證相速相同。圖3給出了兩種結(jié)構(gòu)對比結(jié)果。從圖3(a)知,圓環(huán)桿結(jié)構(gòu)和矩形環(huán)中心桿結(jié)構(gòu)在中心頻率32GHz相交,意味著在32GHz處兩者相速相同,工作電壓也相同。矩形環(huán)中心桿的色散曲線比圓環(huán)桿的要平坦,說明前者帶寬更寬。從圖3(b)可知,在整個(gè)頻帶上,矩形對角桿的耦合阻抗比圓環(huán)桿都要大,且在中心頻率32GHz處耦合阻抗矩形環(huán)要高出23.8%,這間接說明矩形環(huán)中心桿結(jié)構(gòu)相對圓環(huán)桿結(jié)構(gòu)具有更高的輸出功率和增益?？梢钥闯鲂滦途匦苇h(huán)中心桿慢波結(jié)構(gòu)有著比較明顯的優(yōu)勢。

圖3 兩者結(jié)構(gòu)高頻特性比較Fig.3 Comparison of high frequency characteristics of the two structures

3 結(jié)語

在本文中,通過HFSS軟件對矩形環(huán)中心桿慢波系統(tǒng)的高頻特性進(jìn)行了模擬仿真。計(jì)算結(jié)果表明:不同寬高比的矩形環(huán)中心桿的色散平坦度和歸一化相速值非常接近,相比于圓環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu),新結(jié)構(gòu)在帶寬、輸出功率上具有較明顯的優(yōu)勢,這將為小型化行波管的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。