矩形環中心桿慢波結構高頻特性分析*

胡文 魏望和 鐘輝 于燦

(江西理工大學理學院,江西贛州 341000)

0 引言

大功率和小尺寸是行波管發展的兩個主要目標[1-2]。慢波結構在行波管中起著非常重要的角色[3-4]。圓環桿慢波結構(CRB)相對于圓螺旋線慢波結構雖說散熱性更好[5-6],耦合阻抗更高,但其頻帶卻比較窄,無法滿足于未來行波管寬頻帶,高功率的需求。而且,圓環桿慢波結構所采用的圓形電子束存在自身較強的空間電荷效應,使得輸出功率受到限制,本身也不利于微細加工處理。

為了進一步擴展帶寬,提高輸出功率,既能與帶狀注進行注-波互作用,同時又可以與微細加工技術相兼容。基于上,在前人提出的圓環桿慢波結構的基礎上,提出矩形環中心桿慢波結構(RRCB)正好解決了這個問題。利用HFSS仿真軟件研究慢波結構參數對系統色散和耦合阻抗的影響,并在相同相速下對比了圓環桿慢波結構的高頻特性,為實際矩形環中心桿行波管的研制提供前期基礎和參考。

1 矩形環中心桿慢波結構模型

圖1分別給出了圓環桿慢波結構和矩形環中心桿慢波結構。其中,r1和r2分別是圓環的內半徑和外半徑,t和w分別是圓環的厚度和寬度,Wring是桿的寬度,p是圓環桿慢波結構的周期長度。在矩形環中心桿慢波結構中,a和b分別是矩形環橫截面的寬度和高度,t和w是矩形環的厚度和寬度,c和d分別是金屬屏蔽筒的寬度和高度,p是矩形環中心桿慢波結構的周期,wd和hd分別是夾持桿的寬度和高度。圓環桿慢波結構不像矩形環中心桿慢波結構一樣具有類似于平面類慢波結構的特點,不方便運用微加工技術,此外,矩形環中心桿更方便與帶狀電子注進行注-波互作用。

圖1 圓環桿慢波結構和矩形環中心桿慢波結構模型圖Fig.1 The model diagram of the slow wave structure of the circular ring rod and the slow wave structure of the rectangular ring center rod

由于矩形環中心桿四個角存在奇異點,若采用場匹配等理論分析方法進行研究則存在較大困難。本文采用高頻電磁仿真軟件HFSS對矩形中心桿慢波結構的高頻特性進行分析,用于揭示慢波結構尺寸參數對系統高頻特性的作用規律。

2 矩形環中心桿慢波結構高頻特性

2.1 慢波結構參數對高頻特性的影響

矩形環中心桿慢波結構屬于前向波系統,其對微波信號的放大機理在于慢波結構中傳播的基模和電子注的注-波互作用。于是,本文只分析基模的高頻特性。在高頻電磁仿真軟件HFSS中建立了一個周期長度的矩形環中心桿模型結構,利用HFSS軟件中的本征模求解器對慢波線各參數進行掃描和計算。圖2給出了慢波結構的色散和對應中心軸線上耦合阻抗隨矩形環寬高比的變化趨勢。

矩形環中心桿結構尺寸為b/a=2,a=0.314,w=0.07,t=0.06,p=0.43,wd=0.092,hd=0.144(單位:mm)。在橫截面周長一定且其他參數不變的情況下,改變寬高比b/a的值,讓b/a的值由1增加到3,間隔1計算一次。由圖2可知,隨著寬高比b/a的增加,耦合阻抗升高明顯,相速變化不明顯,只是在高頻段略有減小。這表明,獲得更高的耦合阻抗可以通過適當增大橫截面寬高比來實現。

圖2 矩形橫截面寬高比b/a的變化對高頻特性的影響Fig.2 The effect of the change of the aspect ratio b/a of the rectangular cross section on the high frequency characteristics

2.2 與圓環桿慢波結構對比

兩種慢波結構性能的比較通常有以下兩種方法。一種方法是調節參數使得在中心頻點處兩者相速度相等,然后比較耦合阻抗大小[7]。另外一種方法是在相同的結構參數下對比[8]。這里,采用第一種比較方法,即保證相速相同。圖3給出了兩種結構對比結果。從圖3(a)知,圓環桿結構和矩形環中心桿結構在中心頻率32GHz相交,意味著在32GHz處兩者相速相同,工作電壓也相同。矩形環中心桿的色散曲線比圓環桿的要平坦,說明前者帶寬更寬。從圖3(b)可知,在整個頻帶上,矩形對角桿的耦合阻抗比圓環桿都要大,且在中心頻率32GHz處耦合阻抗矩形環要高出23.8%,這間接說明矩形環中心桿結構相對圓環桿結構具有更高的輸出功率和增益。可以看出新型矩形環中心桿慢波結構有著比較明顯的優勢。

圖3 兩者結構高頻特性比較Fig.3 Comparison of high frequency characteristics of the two structures

3 結語

在本文中,通過HFSS軟件對矩形環中心桿慢波系統的高頻特性進行了模擬仿真。計算結果表明:不同寬高比的矩形環中心桿的色散平坦度和歸一化相速值非常接近,相比于圓環桿慢波結構,新結構在帶寬、輸出功率上具有較明顯的優勢,這將為小型化行波管的設計提供指導。