变态N型微带曲折慢波结构系统的高频特性研究

1、文章编号：V波段变态N型微带曲折慢波结构高频特性研究王森林、魏彦玉、程兆亮、沈飞、徐进、巩华荣、唐涛、宫玉彬、王文祥（电子科技大学物理电子学院，微波电真空器件国家级重点实验室，成都 610054）摘 要：本文提出了变态N型微带线慢波结构，分析了这种结构在V波段的色散特性、耦合阻抗。并且利用高频仿真软件HFSS分析了结构尺寸对高频特性的影响。结果表明，变态N型慢波结构常规N型结构具有更高的耦合阻抗。关键词：变态N型微带慢波结构；色散特性；耦合阻抗；V波段；平面行波管中图分类号： TN124文献标志码： A1、引言毫米波功率模块（MMPM）是近年来继微波功率模块之后研制出来的放大器器件，它主要是由

2、毫米波行波管（TWT)、前置固态放大器、增益均衡器、调制器和高压电源集成在一起组成。毫米波功率模块结合了固态器件和行波管放大器的特点，具有小体积，高输出功率，高效率的优点，在军事上（如相控阵雷达）和商业上都有很大用途1。传统的行波管主要包括耦合腔行波管和螺旋线行波管，在应用到毫米波功率模块时都遇到了一定的技术难题，而采用低电压的平面慢波线行波管是解决该问题的一个新的研究方向。单根微带线在介质平板上沿z方向按一定空间周期p重复排列，就构成了无限阵列平行微带线，再将相邻微带线在横向交替连接并放置在介质板上，就构成了微带型曲折线周期性慢波结构23。微带型慢波结构制造工艺简单、成本低、适合大规模生产，

3、并且这种平面慢波结构一般采用带状电子束，降低了空间电荷效应，在可以增大总的电流强度。目前已开展了对N型微带线、U型微带线以及V型微带线用作行波管慢波结构的研究并取得了一定成果4-10。本文提出了两种变态的N型微带线，并对其高频特性进行了研究。2、变态的N型微带曲折线模型本文提出的变态N型微带曲折线模型如图一所示，它是在常规N型模型的微带线中央变形为矩形方框而形成。文中研究的慢波结构尺寸为：微带线宽度w=0.02mm，厚度t=0.01mm，周期p=0.24mm；介质基底Al2O3，厚度h1=0.2mm；空气框高度h=0.5mm，宽度a=0.612mm；其中矩形框内宽度l3=0.01mm、长度l4

4、=0.05mm，矩形框外微带长度l2=0.08mm。 Fig.1 Modal and dimensional parameters of modified-shaped microstrip meander-line SWS图1变态N型微带线慢波结构模型和参数3、高频特性分析本文利用高频仿真软件HFSS对该结构的高频特性进行仿真和优化，比较了变态的N型微带曲折线慢波结构与常规的N型微带曲折线慢波结构的色散特性和耦合阻抗，如图2所示，在相同结构尺寸下，变态的N型结构相对于常规N型结构来说频带略微降低，色散曲线基本没有变化，但变态的N型结构的耦合阻抗有了较大提高。然后本文分析了所加的方框尺寸l3、

5、l4以及基底厚度h1对变态N型结构高频特性的影响，如图3-6所示；其它参数例如微带线厚度t，空气框的高度h等特性已有类似研究，本文不作重点。从图3可以看出，在矩形框的z方向上，随着矩形框l3距离的增加，慢波结构的频带变窄，色散特性逐渐变强，耦合阻抗有所提高。在周期较小的情况下，l3的变化范围太小，不利于加工。从图4可以看出，在矩形框的横向方向上，随着l4距离的增加，慢波结构的色散特性也逐渐变强，耦合阻抗也逐渐提高，l4在横向方向变化空间较大，可根据实际需求取值。从图5可以看出，在介质基底材料不变的情况下，随着介质基底厚度h1增加，慢波结构的归一化相速也在提高，色散曲线增强，耦合阻抗随之增加，也

6、需要根据实际需求取值。Fig.2 Dispersion characteristics and interaction impedance of the two SWSs图2两种结构的色散特性和耦合阻抗的比较 Fig 3 (a) Dispersion characters versus l3Fig 3 (b) Interaction impedance versus l3 图3(a)色散特性随l3变化图3(b)耦合阻抗随l3变化Fig 4 (a) Dispersion characters versus l4Fig 4 (b) Interaction impedance versus l4图4

7、(a)色散特性随l4变化图4(b)耦合阻抗随l4变化 Fig 5 (a) Dispersion characters versus h1Fig 5 (b) Interaction impedance versus h1图5(a)色散特性随h1变化图5(b)耦合阻抗随h1变化 4、总结本文利用HFSS电磁仿真软件对变态的N型微带线平面慢波结构的高频特性进行了研究，研究表明：相对于常规N型微带平面慢波结构，变态的N型结构的频带和色散基本保持不变，而耦合阻抗有较大提高；矩形框的横向尺寸对高频特性有一定影响，其数值根据带状电子注宽度而定，纵向尺寸缩为零后可以变为实心方块结构；介质基底厚度变化情况为行波

8、管输能系统的研究提供了一定的参考。上述分析为进一步发展V波段微带线行波管提供了理论参考。参考文献:1Fei Shen,Yanyu Wei,Xiong Xu; A Novel V-Shaped Microstrip Meander-Line Slow-Wave Structure for W-band MMPM;IEEE Transactions On Electron Devices;VOL.40, NO.2, February 20122A. K. Agrawal, Dispersion in N Coupled Microstrip Meanders, IEEE Trans. on MTT

9、,August，1980, 28(8)3张大勇,冯进军,等. 微带型曲折慢波结构冷测特性的计算机仿真J. 电子器件, 2006,29(4):1223-1226.4Shen Fei, Wei Yanyu et al. Cold-test characteristics simulation of a V-type microstrip meander-line slow-wave structure. Proceeding of 2010 8th International Vacuum Electron Sources Conference and Nanocarbon, Nanjing, C

10、hina, October 14-16, 2010, pp: 288-289.5陈常婷,宫玉彬,沈飞,魏彦玉,王文祥；一种新型微带曲折线慢波结构的设计；真空电子技术，2011年 第02期6沈飞;魏彦玉;一种V形微带曲折线慢波结构的研究A;中国电子学会真空电子学分会第十八届学术年会论文集C;2011. 7沈飞，魏彦玉；140GHz菱形微带曲折线慢波结构行波管的模拟计算；强激光与粒子束，2012年01期8Shen Fei, Wei Yan-Yu, Study on a W-band modified V-shaped microstrip meander-line traveling-wave t

11、ube ,Chin. Phys. B Vol. 21, No. 6 (2012) 0642109Fei Shen, Yanyu Wei, Xiong Xu; Symmetric Double V-Shaped Microstrip Meander-Line Slow-Wave Structure for W-Band Traveling-Wave Tube;IEEE Transactions On Electron Devices;Volume:59,Issue: 5;May 201210 Shen Fei.Wei Yanyu,140-GHz V-Shaped Microstrip Meand

12、er-Line Traveling Wave Tube, Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Volume 26, Number 1, 2012 , pp. 89-98(10)The high-frequency characteristics of a modified N-shaped microstrip meander-line slow-wave structureWang Senlin, Wei Yanyu, Cheng Zhaoliang, Shen Fei, Xu Jin, Gong Huarong, Tang

13、Tao,Gong Yubin, Wang Wenxiang(National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Electronics, School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054, Sichuan, China)Abstract: This paper presents a modified N-shaped microstrip slow-wave stru

14、cture .The dispersion characteristics, coupling impedance of this structure are analyzed at v-band. And we use HFSS which was one of the high frequency simulation software to analyze the influence of the structural dimensions of high-frequency characteristics. The results show that the modified N-shaped microstrip meander-line slow-