兩種新型微波管慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性仿真研究

馮晨峰

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

在微波、毫米波領(lǐng)域，尤其是微波通信中微波電真空器件一直都是不可或缺的電子器件之一。它具有高功率、高增益、高效率、寬頻帶等優(yōu)點。目前，微波管已經(jīng)廣泛應(yīng)用于寬帶無線通信、雷達(dá)、電子干擾和對抗等民用及軍用領(lǐng)域[1]。由于慢波系統(tǒng)的高頻特性對微波管的工作帶寬、增益、輸出功率以及效率等參數(shù)具有重要的影響，為了進(jìn)一步改善微波管的性能人們往往需要根據(jù)相關(guān)理論對它的尺寸和材料等進(jìn)行一些調(diào)整。數(shù)值計算的引入使得這項工作變得簡單而且經(jīng)濟(jì)[2]。

微波管CAD技術(shù)的目標(biāo)是：“first-pass design success”即通過模擬一次制管成功。針對特定管型這一目標(biāo)已經(jīng)在部分公司實現(xiàn)[3]。但總體上說微波管CAD技術(shù)離這一目標(biāo)還有一定的距離，國外正在加大投資和開發(fā)力度。目前國外的微波管研制單位在計算微波管的高頻冷參數(shù)及輸入輸出S參數(shù)時主要依靠商業(yè)電磁仿真軟件HFSS和CST MWS。筆者主要是通過HFSS以及CST MWS兩款商業(yè)軟件對新型的微波管慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性進(jìn)行模擬仿真，比較分析兩種結(jié)構(gòu)的特性。

1 微波管高頻特性求解過程

從上述微波管的工作原理中可以看出，慢波結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到微波管的性能。那么該使用什么樣的指標(biāo)來衡量慢波結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)劣呢？從注波互作用的理論分析中可以歸納出3個參量，分別是色散特性、耦合阻抗、衰減常數(shù)。色散特性主要通過相速表示，而相速計算的準(zhǔn)確性直接影響到注波的同步；耦合阻抗描述電子注與電磁場的耦合強(qiáng)度；衰減常數(shù)描述慢波結(jié)構(gòu)材料對波的衰減大小。文中主要研究的是前兩個參量，即色散特性以及耦合阻抗。

目前在利用大部分計算電磁學(xué)軟件對微波管慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行3維數(shù)值分析求解出其高頻參數(shù)以及高頻場都是先通過求解一個大型的廣義本征問題得到一個表示慢波結(jié)構(gòu)的諧振頻率的本征值。但是在實際過程中，上述表示諧振頻率的本征值并不能描述微波管高頻電路的性能。需要進(jìn)行簡單的后處理才能夠得到在實際應(yīng)用工程中感興趣的高頻參數(shù)。后處理計算過程如下[4]：

1.1 色散特性

色散特性的表示方法有多種，在此用相速與頻率的關(guān)系來表示，這是最直接的方法。相速可表示為：

其中f為本征頻率，pitch為慢波結(jié)構(gòu)的周期長度，phase從master面到slave面場的相位變化，由用戶指定。

1.2 耦合阻抗

電子注與場的能量交換決定于電子注通道內(nèi)的縱向電場強(qiáng)度，而縱向場與通過慢波結(jié)構(gòu)的功率流相關(guān)，因此采用復(fù)數(shù)表示法可以定義耦合阻抗的計算公式為：

慢波結(jié)構(gòu)的周期性導(dǎo)致其中存在無限多個空間諧波，它們的相速互不相同，而電子注的速度是一定的，因此注波之間的互作用過程只能發(fā)生在某一次空間諧波上。次空間諧波的耦合阻抗可表示為：

2 慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性的數(shù)值仿真比較

2.1 環(huán)桿慢波結(jié)構(gòu)

圖1 環(huán)桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of ring-bar

2.1.1 色散特性的模擬與仿真

可以通過把相位差設(shè)置為變量，采用參數(shù)掃描的方式，一次性運行后得到整個色散曲線，如圖2所示。

2.1.2 耦合阻抗的模擬與仿真

根據(jù)式（2）通過軟件進(jìn)行數(shù)值仿真得到環(huán)桿的耦合阻抗的圖形如圖3所示。

2.2 折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)

目前對折疊波導(dǎo)的研究還主要限于矩形波導(dǎo)或H波導(dǎo)E面彎曲而成的慢波系統(tǒng)，對其他截面形狀的折疊波導(dǎo)還未見報道[5]。其模型示意圖如圖5所示。

圖2 HFSS以及CST求得的環(huán)桿的色散曲線Fig.2 Result dispersion curve of ring-bar by using HFSSand CST

圖3 HFSS以及CST求得的環(huán)桿的耦合阻抗曲線Fig.3 Result coupling impedance curve of ring-bar by using HFSSand CST

圖4 折疊波導(dǎo)模型示意圖Fig.4 Result structure diagram of folded waveguide

2.2.1 色散特性的模擬與仿真

為了可以使用CST軟件進(jìn)行仿真，文章中我們均采用一個周期的模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，通過運算可以得到規(guī)一化相速隨頻率的變化曲線如圖5所示。

圖5 HFSS以及CST求得的折疊波導(dǎo)的色散曲線Fig.5 Result dispersion curve of folded waveguide by using HFSSand CS

2.2.2 耦合阻抗的模擬與仿真

折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)第n次空間諧波的耦合阻抗的理論計算式在前面已經(jīng)分析過，在此模擬計算基波的耦合阻抗，圖6所示的即為所求得耦合阻抗的結(jié)果。

圖6 HFSS和CST計算得到的折疊波導(dǎo)的耦合阻抗曲線Fig.6 Result coupling impedance curve of folded waveguide by using HFSSand CST

3 結(jié) 論

本文通過HFSS以及CST兩款商業(yè)軟件分別仿真研究了兩款新型微波管慢波結(jié)構(gòu)，通過研究結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)環(huán)桿結(jié)構(gòu)基波下提供了更高的互作用阻抗和更高的互作用效率[6]；折疊波導(dǎo)色散比較弱，具有相當(dāng)寬的頻帶。應(yīng)用折疊波導(dǎo)作為毫米波行波管的慢波電路或許能較好地兼顧寬頻帶和大功率的特點。

[1]鄔顯平.世紀(jì)之交的微波真空器件[J].真空電子技術(shù)，2003（1）:1-7.WU Xian-ping.Microwave vacuum devices during transit between centuries[J].Vacuum Electronics，2003（1）：1-7.

[2]梁獻(xiàn)普.微波管慢波結(jié)構(gòu)高頻特性的有限元分析[D].成都:電子科技大學(xué)，2010.

[3]廖復(fù)疆.大功率微波電子注器件及其發(fā)展[J].真空電子技術(shù)，1999（4）:1-14.LIAO Fu-jiang.Microwave electron beam devices and their technical advances[J].Vacuum Electronics，1999（1）：1-14.

[4]劉盛綱，李宏福，王文祥，等.微波電子學(xué)導(dǎo)論[M].北京:國防工業(yè)出版社，1985.

[5]John H.Booske，Carol L.Kory，Mark C.Converse accurate parametric modeling of folded waveguide circuits for millimeter-wave traveling wave tubes[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2005，52（5）:685-694.

[6]Subrata Kumar Datta，Vemula Bhanu Naidu.Equivalent Circuit Analysis of A Ring-Bar Slow-Wave Structure for High-Power Traveling-Wave Tubes[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2009，56（2）:3184-3190.