一種超寬帶雙信道速調管輸出回路的設計和實驗

張志強 羅積潤 張兆傳

?

一種超寬帶雙信道速調管輸出回路的設計和實驗

張志強*羅積潤 張兆傳

(中國科學院電子學研究所 北京100190)(中國科學院高功率微波源與技術重點實驗室 北京100190)

該文介紹了一種超寬帶雙信道速調管輸出回路的設計思路和實現過程。以Ansoft HFSS軟件為設計平臺，在S波段設計出一個帶寬超過550 MHz的超寬帶雙信道雙間隙耦合腔輸出回路。設計了信道轉換機構，并分別確定了兩個信道的諧振腔參數。得出了不改變兩個諧振腔參數，只需調節耦合槽的尺寸就能夠實現信道轉換的結論。通過對HFSS軟件建立的模型進行計算，得到了雙間隙耦合腔輸出回路中各模式的頻率，與冷測結果基本一致。利用集中元件等效電路法計算了雙間隙耦合腔輸出回路的間隙阻抗，計算結果與冷測結果基本一致。

速調管；超寬帶雙信道輸出回路；雙間隙耦合腔；信道轉換；耦合間隙阻抗

1 引言

近年來，大功率寬帶速調管在國土防空情報雷達中的應用日益廣泛，隨著反輻射導彈等反雷達技術的不斷提升，國土防空情報雷達要求速調管能夠在不降低其它戰術指標的前提下盡可能地提供更寬的頻帶寬度，以滿足雷達捷變頻的需要，在電子對抗中占據優勢地位。與行波管等電真空器件相比，速調管是一種窄帶器件，具有其它器件無法比擬的功率量級，最高峰值功率可達百兆瓦級[1]，因此在雷達中得到廣泛應用。國內外各研究機構都希望能夠盡可能地展寬速調管的帶寬，以滿足雷達進行電子對抗的需要。目前，寬帶速調管已經在國內外很多軍事裝備上得到了應用。在國外，美國CPI公司研制生產的分布作用速調管VKS-8347代表了世界寬帶速調管的領先水平，其峰值功率為1.25 MW，平均功率為50 kW，帶寬達到12%。在國內，中國科學院電子學研究所的兩種型號用于國土防空雷達的寬帶大功率速調管分別在700 kW和800 kW的功率電平下達到了大于10%的帶寬。

2 輸出回路的設計和計算

本設計采用雙間隙耦合腔輸出回路作為基本單元，利用其耦合機構的變化實現兩個信道間的轉換，從而實現超寬帶的目標。所設計的總頻率范圍為：2.80~3.35 GHz，帶寬550 MHz，分為兩個部分。第1部分頻帶為2.8~3.1GHz，帶寬為300 MHz，第2部分為3.05~3.35 GHz，帶寬為300 MHz。這兩個部分的帶寬有50 MHz的重疊，因此實現的總帶寬為550 MHz。

2.1 雙間隙耦合腔輸出回路的基本理論

雙間隙耦合腔輸出回路等效為圖3所示的分布參數等效電路，由此電路可以推導出雙間隙耦合腔輸出回路中存在的3個模式及各模式對應的頻率。

(2)

圖1 雙間隙輸出回路

圖2 耦合機構

圖3 雙間隙耦合腔輸出回路的等效電路

圖4 雙間隙耦合腔輸出回路各模式間的關系

因此只要設計出一個合適的轉換機構，研制帶寬達到550 MHz的超寬帶雙信道雙間隙耦合腔輸出回路是可行的。

2.2 雙信道輸出回路的計算

利用Ansoft HFSS 軟件可分別計算分析出短槽和長槽狀態下的輸出回路分別存在哪些模式。所用的方法是：將圖1所示的雙間隙耦合腔輸出回路視為單端口網絡進行分析，先計算出波導端口處的反射系數11，再對11的相位進行微分，得到該單端口網絡的群時延曲線，對群時延曲線進行分析，曲線的峰值處，也就是相位變化劇烈的位置即為所要得到的頻率。這種方法稱為反射系數相位分析法。

圖5 短耦合槽模型

圖6 長耦合槽模型

2.2.3間隙阻抗的計算 根據文獻[10]的推導結果，可依據圖3的等效電路，按式(7)，式(8)，式(9)編程計算短槽耦合和長槽耦合的間隙阻抗分布參量。11和11分別為第1間隙阻抗的實部和虛部；22和22分別為第2間隙阻抗的實部和虛部。12和12分別為兩個間隙互阻抗的實部和虛部。

式(7)~式(9)中

圖7 短槽耦合時各模式S11的相位曲線

圖8 短槽(112°)耦合時的群時延曲線

圖9 長槽(196°)耦合時的群時延曲線

圖10 頻帶第1部分(短槽耦合)間隙阻抗

圖11 頻帶第2部分(長槽耦合)間隙阻抗

2.3 雙信道輸出回路的設計

要用一個耦合機構實現兩個信道，必須要設計一個能夠實現兩種不同角度耦合槽的轉換機構。本次設計的轉換機構由圖12所示的耦合板和圖13所示的兩片滑塊組成，耦合板和兩片滑塊組合在一起后，滑塊可在耦合板上沿耦合槽自由滑動，以控制耦合槽的開槽角度。圖14和圖15所示是根據計算結果，通過控制滑塊實現的短槽(112°)狀態和長槽(196°)狀態。

3 實驗及結果分析

將反射系數相位法計算分析得到的模式頻率、計算間隙阻抗時得到的模式頻率與冷測結果分析得到的各模式頻率匯總列表(表1)進行比較，可清晰看到，無論短槽耦合還是長槽耦合，從3個不同分析途徑獲得的各模式頻率很相近，取得了較好的一致性，同時也證明了設計的合理性。

圖12 耦合板結構圖

圖13 滑塊結構圖

圖14 短槽狀態

圖15 長槽狀態

圖16 短槽耦合時的間隙阻抗冷測曲線

圖17長槽耦合時的間隙阻抗冷測曲線

表1反射系數相位計算、間隙阻抗計算及冷測結果得到的各模式頻率對比(GHz)

各模式頻率獲得途徑短槽耦合長槽耦合 模模模模 反射系數相位法計算2.863.033.063.32 間隙阻抗計算2.853.063.093.33 冷測結果2.853.053.113.31

4 結束語

[1] Wang Yong, Xie Jing-xin, Ding Yao-gen,.. Development of an S-band 50 MW klystron[C]. IEEE International Vacuum Electronics Conference, Kitakyushu, Japan, 2007: 153-154.

[2] 鈕得祿, 丁耀根, 劉從懋, 等. 10%帶寬兆瓦級速調管放大器[J]. 電子科學學刊, 1983, 5(3): 177-178.

Niu De-lu, Ding Yao-gen, Liu Cong-mao,.. A megawatt level and 10% bandwidth klystron amplifier[J]., 1983, 5(3): 177-178.

[3] 丁耀根, 鈕得祿, 陸孝厚, 等. S波段2.5兆瓦寬頻帶大功率速調管的研制[J]. 電子科學學刊, 1985, 7(4): 247-253.

Ding Yao-gen, Niu De-lu, Lu Xiao-hou,.. The design of an S band and 2.5 megawatts broadband high power klystron[J]., 1985, 7(4): 247-253.

[4] 丁耀根, 彭鈞, 朱允淑, 等. S波段多注寬帶速調管的研制[J].電子科學學刊, 1996,18(2): 221-224.

Ding Yao-gen, Peng Jun, Zhu Yun-shu,.. The design of an S band multi-beam broadband klystron[J]., 1996, 18(2): 221-224.

[5] 葛萌, 王勇. Ka波段濾波器加載三間隙耦合腔輸出回路的仿真和測試[J]. 真空科學與技術學報, 2013, 33(3): 219-223.

Ge Meng and Wang Yong. Simulation and cold test of Ka-band filter loaded three-gap coupled output cavity[J]., 2013, 33(3): 219-223.

[6] 黃傳祿, 丁耀根, 王勇, 等. 多間隙耦合腔電子電導與模式穩定性[J]. 強激光與粒子束, 2012, 24(1): 133-138.

Huang Chuan-lu, Ding Yao-gen, Wang Yong,.. Electron conductance and mode stability in multi-gap coupled cavity[J]., 2012, 24(1): 133-138.

[7] 黃傳祿, 丁耀根, 王勇, 等. 分布作用速調管大信號計算模型的研究[J].電子與信息學報, 2012, 34(3): 739-743.

Huang Chuan-lu, Ding Yao-gen, Wang Yong,.. The Research on large signal simulation Model of External Interaction Klystron (EIK)[J].&, 2012, 34(3): 739-743.

[8] 謝興娟, 丁耀根, 劉濮鯤, 等. 雙間隙諧振腔耦合縫諧振結構的分析與模擬[J]. 真空科學與技術學報, 2012, 32(3): 219-224.

Xie Xing-juan, Ding Yao-gen, Liu Pu-kun,.. Design and simulation of coupled slot tuning structure of two-gap coupled cavity[J]., 2012, 32(3): 219-224.

[9] 林福民, 丁耀根, 張志強, 等. 速調管雙間隙腔的間隙阻抗矩陣頻率特性的模擬計算方法[J]. 電子與信息學報, 2004, 26(9): 1480-1486.

Lin Fu-min, Ding Yao-gen, Zhang Zhi-qiang,.. Simulation computation method for calculating the impedance matrix of double gap cavity of klystron[J].&, 2004, 26(9): 1480-1486.

[10] Zhao Yong-xiang. An impedance measurement method for double-gap klystron cavity[J]., 1982, 29(2): 316-320.

[11] 陳永東, 金曉, 李正紅, 等. 高增益相對論速調管放大器雜模振蕩抑制研究[J]. 物理學報, 2012, 61(22): 517-521.

Chen Yong-dong, Jin Xiao, Li Zheng-hong,.. Investigation of suppression of non-working mode oscillation in a high gain relativistic klystron amplifier[J]., 2012, 61(22): 517-521.

[12] 張志強, 王勇, 羅積潤, 等. 一種寬帶速調管中高次模式振蕩的抑制[J]. 電子與信息學報, 2010, 32(3): 710-713.

Zhang Zhi-qiang, Wang Yong, Luo Ji-run,.. Suppression of high order mode oscillation in a broadband klystron[J].&, 2010, 32(3): 710-713.

[13] Ko K, Lee T G, Kroll N,.. A three gap klystron output cavity at X band[C]. Proceedings of the International Society for Optical Engineering, Los Angeles, CA, 1992: 549.

[14] Nguyen K T, Pershing D E, Abe D K,.. Band width extension of an S band fundamental mode eight beam klystron[J]., 2006, 34(3): 576-583.

[15] Shin Y M and Park G S. Circuit analysis of an extended interaction klystron[J] ., 2004, 44(5): 1239-1245.

張志強： 男，1975年生，高級工程師，研究方向為物理電子學.

羅積潤： 男，1957年生，研究員，博士生導師，研究方向為物理電子學.

張兆傳： 男，1965年生，研究員，博士生導師，研究方向為物理電子學.

Design and Experiment of a Super-wide Band Output Circuit with Two Channels for Klystron Applications

Zhang Zhi-qiang Luo Ji-run Zhang Zhao-chuan

(,,100190,)(,,100190,)

The design ideas and performance process of a super-wide band and two channels output circuit on a klystron are presented. A super-wide band two-channel double-gap coupled-cavity output circuit, whose bandwidth is over 550 MHz, is designed at S band by Ansoft HFSS. A channel switch structure is designed, and the resonance parameters of the two channels are determined. Then, a conclusion is made that channels can be switched easily through tuning the coupled-slot without changing the parameters of the two cavities. The frequencies of each mode in the double-gap coupled-cavity output circuit are simulated through calculating the model by Ansoft HFSS. The frequencies of each mode accord with the “cold test” mainly. The gap impedance of double-gap coupled-cavity, which is simulated byanalysis of equivalent lumped element circuit, also accords with the “cold test” very well.

Klystron; Super-wide band and two-channel output circuit; Double-gap coupled-cavity; Channel switch; Impedance of coupled-cavity gap

TN122

A

1009-5896(2014)05-1247-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01059

張志強 zqzhang@mail.ie.ac.cn

2013-07-19收到，2013-11-08改回