W波段回旋行波管輸入輸出窗的設計

摘 要： 根據實際工程需要，對回旋行波管的輸入窗和輸出窗結構分別進行了理論分析，選取藍寶石作為窗片材料，通過HFSS進行了仿真及優化。仿真結果表明，輸入窗采用傳統的盒型結構在92.6～100 GHz頻段范圍內，S11小于-20 dB，同時S21大于-0.08 dB，傳輸效率達到98%以上，有效帶寬達到7.4 GHz。輸出窗采用新型雙窗片結構，并且對雙窗片結構進行了理論分析。仿真結果表明，在92～101.1 GHz的頻段范圍內，S11小于-20 dB，同時S21大于-0.08 dB，有效帶寬達到9.1 GHz，帶寬比傳統的單窗片結構提高了近3.4 GHz。

關鍵詞： 回旋行波管； 盒型輸入窗； 雙窗片輸出窗； HFSS

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）08?0138?02

0 引 言

回旋行波管是一種新型的高功率毫米波器件，它具有寬頻帶、高功率和高增益等顯著優點，在電子戰、毫米波雷達和粒子加速器方面有著重要的應用前景。輸入窗和輸出窗作回旋行波管的關鍵器件，其性能的好壞直接影響到回旋行波管的增益、互作用效率以及輸出功率。對于它們的研究有著重要的實際價值。

窗片的有兩個作用：

（1）保證電真空器件的真空度；

（2）傳輸信號。

制備窗片的材料必須能夠承受一定的大氣壓力差，還有熱膨脹引起的機械壓力。

窗片對信號的反射升高，對于輸入窗，則會降低整管增益；而對于輸出窗則會引起自激振蕩，降低輸出功率和模式純度。

根據實際的工程設計情況選擇藍寶石作為窗片材料，因為它的介電損耗小、機械強度高、結構均勻密致以及耐溫度程度高[1?3]。

1 盒型輸入窗

1.1 理論分析

圖1（a）所示為盒型窗的場圖及其結構，主要包括輸入波導、圓波導（可伐或者蒙乃爾環）、窗片和輸出波導，其中輸入/輸出波導均為BJ900標準波導。

盒型窗具有結構簡單、工作頻帶寬和功率容量大的特點，在工藝上也比較成熟，因此選擇盒型窗作為輸入窗結構。

對于盒型窗的分析可以采用等效電路的方法[4]，圖1（b）給出了等效電路圖，d為窗片厚度，L為圓波導厚度，ZC1為電磁波在窗片中的特性阻抗，ZC2為電磁波模在圓波導中的特性阻抗，ZC3為TE10模在輸入/輸出波導中的特性阻抗，C1為圓波導引起的階躍電容，C2是由于加入窗片而產生的電容，以上特性阻抗和電容均可以通過波導結構和工作頻率來確定。

1.2 仿真結果

從圖2所示的仿真結果可以看出，盒型輸入窗在92.6～100 GHz頻帶范圍內，S11小于-20 dB，同時S21大于-0.08 dB（傳輸效率達到98%），有效帶寬為7.4 GHz。

2 輸出窗

2.1 理論分析

輸出窗片對于工作模式的反射過高，反射回來的電磁波將對電子注的工作狀態產生擾動，影響注波換能，甚至導致電子注不能被收集極有效收集，進而存在打壞窗片的危險，另外也可能產生其他振蕩現象的出現，引起回旋行波管不能穩定有效地實現功率輸出[1?3，5]。

單、雙窗片輸出窗的結構示意圖如圖3所示，窗片厚度和直徑分別為[d]和[Φ]，材料為藍寶石[ε=10，μ=1]，兩邊分別為真空或空氣，其磁導率和介電常數均為[μ0]和[ε0]。

對于單窗片輸出窗，電磁波在窗片中來回反射一次前后的相位差為：

[δ=2d（2πfc）2ε-（2χ01Φ）2+π] （1）

式中：[χ01]為TE01模的特征根；[π]為半波損耗；[f]為工作頻率，[c]為光速。

根據相位疊加相消原理，當[δ=（2n+1）π，]n=1，2，…時，反射信號不進入互作用區，當[f]取95 GHz時，可以得到窗片厚度[d]的參考值為

[d≈n×0.52 mm， n=1，2，3，…] （2）

為了降低到窗片對功率的吸收，[n=1]。對于雙窗片輸出窗，窗片厚度[d1]和[d3]與單窗片的計算方法相同，兩窗片之間的距離[d2]的參考值為：

[d2=14λg] （3）

式中[λg]為95 GHz的TE01模的波導波長。

2.2 仿真結果

圖4為采用上述計算參數優化后的單雙窗S參數模擬結果，單窗片輸出窗在92.7～97.4 GHz的頻帶范圍內，S11小于-20 dB，同時S21大于-0.08 dB（傳輸效率達到98%以上）；滿足同樣的設計指標時，雙窗片結構的頻帶范圍則為92～101.1 GHz。

對比可知雙窗片的帶寬比單窗片提高了近3.4 GHz，該現象出現的主要原因是由于第二層窗片的引入抵消了部分反射波，從而帶寬得到了明顯的拓展。

3 結 語

本文在理論上對回旋行波管的輸入/輸出窗結構進行了分析，并且利用高頻仿真軟件HFSS進行優化設計。輸入窗的設計采用盒型窗結構；對于輸出窗的設計，文中采用雙窗片結構并且與單窗片進行了對比分析。輸入窗和輸出窗在工作模式TE01的傳輸特性上，有效帶寬分別達到了7.4 GHz和9.1 GHz，兩種結構在整個工作頻段內均達到了設計要求。

參考文獻

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