Ka波段曲折双脊单槽加载波导行波管研究知识分享

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。Ka波段曲折双脊单槽加载波导行波管研究-Ka波段曲折双脊单槽加载波导行波管研究杨小燕，魏彦玉，郭彉，岳玲娜，赵国庆，黄民智，宫玉彬，王文祥（电子科技大学物理电子学院，大功率微波电真空器件技术国防科技重点实验室，成都610054）摘要：本文提出了一种新型的曲折波导慢波结构：曲折双脊单槽加载波导慢波结构。利用HFSS、CST电磁仿真软件对工作在Ka波段的曲折双脊单槽加载波导行波管进行了模拟计算，得到其高频特性及注-波互作用特性。结果表明，在33GHz可以得到265W的输出功率，增益为37.2dB，3dB增益

2、带宽为6GHz。关键词：Ka波段，曲折双脊单槽加载波导，大功率行波管，高频特性，注-波互作用，带状电子注中图分类号：TN124文献标志码：A行波管是微波、毫米波频段应用最广泛的电真空器件之一，在高功率微波领域，它也可以作为回旋波放大器件的输入级。慢波系统作为行波管中注-波互作用的核心部件，其性能直接决定了行波管的技术水平1-4。传统的螺旋线和耦合腔行波管具有宽频带或大功率的特点5-6，但是却无法同时兼有上述两种优点。而曲折波导7-8作为一种新型慢波结构，在国内外得到了大量的研究9-11。它具有良好的带宽，但是其耦合阻抗较低。为此本文提出一种新型的曲折慢波结构：曲折双脊单槽加载波导慢波结构，它在

3、保留宽带宽的同时又具有较高的耦合阻抗。该新型慢波结构是由双脊波导沿电场面周期性弯曲成直角形或U形曲折线,再在弯波导处加载矩形槽而形成慢波结构，最后沿慢波结构的中轴对称线的位置在波导壁上开矩形通孔，形成带状电子注通道。由于槽波导是一种半开放结构，它的壁损耗比矩形波导低得多12-15。本文利用三维粒子模拟软件HFSS及CST模拟了ka波段曲折双脊单槽加载波导慢波结构的高频特性及注-波互作用特性，研究结果可为研制曲折双脊单槽加载波导行波管提供重要依据。1.曲折双脊单槽加载波导慢波结构的高频特性One-periodFig.1Dimensionalparametersofthedouble-edgedg

4、roove-loadedguideSWS图1模型参数示意图（b）ten-period首先建立曲折双脊单槽加载波导慢波结构的一个周期模型，如图1（a）所示，a0表示脊宽度，b0表示脊间距，d表示槽深度，w表示槽宽度，p表示半个互作用周期长度，s表示直波导长度。图1（b）为慢波结构的十个周期模型。图1曲折双脊单槽加载波导慢波结构示意图通过电磁仿真软件HFSS的本征模求解器，对除槽深度和槽宽度外其余结构尺寸相同的曲折双脊波导慢波结构和曲折双脊单槽加载波导慢波结构的冷腔特性分别进行了仿真，得到慢波结构的相速、耦合阻抗随频率变化的曲线，结果如图2所示，其中vp为慢波结构中电磁波的相速；c为光速；vp/c

5、为归一化相速。从图2可以看出，在28-41GHz频率范围内，相比于曲折双脊波导，曲折双脊单槽加载波导在保留宽带宽的同时，又具有高耦合阻抗的特点。这是因为曲折双脊单槽加载波导慢波结构的单槽部分增加了注-波互作用的区域，而且使电磁波场强更集中于电子注通道附近。50403020100Kc0.290.210.19Vp/c262830323436384042262830323436384042frequency/GHzfrequency/GHz图2曲折双脊单槽波导与曲折双脊波导色散特性及耦合阻抗特性对比2.注-波互作用的大信号模拟分析为了进一步分析该新型慢波结构中电子注和电磁波的

6、互作用物理过程，我们利用CST电磁仿真软件，在CSTPARTICLE工作室中对其进行了注-波互作用模拟分析。相关的参数如表1所示。表1Ka波段曲折双脊单槽加载波导行波管的设计参数电子注电压电子注电流电子注通道宽度第一段长度衰减器长度12.9KV0.1A2mm51.1mm16.9mm电子注通道高度中心频率输入功率第三段长度0.2mm33GHz50mW82.8mm0.240.2350.230.2250.220.2150.210.2050.20NormedMomentum020406080100120140160z/mm慢波结构的中心频率为33GHz，当输入功率为50mW时，注-波互作用的大信号模拟

7、结果如图3-6所示。图3给出了电子纵向能量沿z轴的分布情况。从图3可知：经过高频场对电子注进行有效的调制后，在输出端附近，处于减速场区的电子明显多于加速场区的电子。说明电子注给出的能量远大于获得的能量，将自身的能量转化为高频场的能量，从而使高频场的能量得到有效的放大。图3电子轴向能量沿Z轴的分布图4和图5分别给出了输入信号和输出信号的电场幅值及频谱图。由图5可见，当注-波互作用进行到3.5ns时，电场幅值达到了一个稳定的状态，说明能量交换已经开始稳定。输入能量经过52个注-波互作用周期后得到了有效的放大，且输出信号的频谱与输入信号一样纯净，为33GHz。80.060.04

8、0.020O1(1)FFT0.040.030.020.010-0.01-0.02-0.03-0.04Voltage/V012342025303540time/nSfrequency/GHz(b)图4（a）输入信号电场随时间的变化情况（b）输入信号频谱2520151050-5-10-15-20-25Voltage/V543210O2(1)FFT0123456782025303540time/nsfrequency/GHz（a）（b）图5（a）输出信号电场随时间的变化情况（b）输出信号频谱图6给出了曲折双脊单槽加载波导行波管和曲折双脊波导行波管的输出功率和增益随频率的变化情况。该计算结果不考虑损耗

9、。Gain/dB424038363432302826400350300250200150100500Power/W2830323436384028303234363840frequency/GHzfrequency/GHz(b)图6（a）输出功率随频率的变化情况（b）增益随频率的变化情况从图6可知，曲折双脊单槽加载波导行波管在中心频率33GHz附近输出功率最大，达到265W，增益也达到最大值37.2dB，其3dB增益带宽约为6GHz（30GHz-36GHz）,在29-39GHz频段内输出功率达50W以上；曲折双脊波导行波管在中心频率34GHz附近输出功率最大，达到164W，增益也达到最大值35

10、.1dB，其3dB增益带宽约为7GHz（31.5GHz-38.5GHz）,在30-39GHz频段内输出功率达50W以上。3.结论本文提出并研究了一种新型的曲折波导慢波结构：曲折双脊单槽加载波导慢波结构的高频特性，并用CST对该行波管中的注-波互作用进行了模拟分析。模拟结果显示曲折双脊单槽加载波导的耦合阻抗比同尺寸曲折双脊波导高，而且保留了曲折双脊波导宽带宽的优点，输出功率在10GHz（29-39GHz）范围内达50W以上，是一种有潜力的毫米波慢波结构。参考文献：W.Wang,Y.Wei,G.Yu,Y.Gong,M.Huang,andG.Zhao,“Reviewofthenovelslow-wa

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