【摘要】：分析了一種適用于E波段81~86GHz空間行波管的新型慢波結(jié)構(gòu)——折疊矩形槽波導(dǎo).折疊矩形槽波導(dǎo)來源于傳統(tǒng)的矩形槽波導(dǎo),將E面沿其縱向來回彎曲而形成.利用電磁場仿真軟件Ansoft HFSS設(shè)計優(yōu)化并最終確定了E波段折疊矩形槽波導(dǎo)的關(guān)鍵幾何尺寸.同時,模擬仿真出了折疊矩形槽波導(dǎo)在中心頻率f=83.5GHz處的耦合阻抗沿x和y方向上的變化趨勢,得出其可通過加載帶狀電子注獲得更高的平均耦合阻抗.利用CST粒子工作室模擬得出:折疊矩形槽波導(dǎo)行波管在中心頻點83.5GHz處輸出功率為210 W,電子效率達到8.05%.
【圖文】：

．本文首先在ＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ中設(shè)計優(yōu)化了Ｅ波段折疊矩形槽波導(dǎo)的關(guān)鍵幾何尺寸，并從橫截面場分布分析了截面平均耦合阻抗的特點，證明折疊矩形槽波導(dǎo)適合加載帶狀電子注，最后在三維粒子模擬軟件ＣＳＴ粒子工作室中模擬了折疊矩形槽波導(dǎo)行波管的注－波互作用過程，并與優(yōu)化后的Ｅ波段折疊矩形波導(dǎo)行波管做了對比．結(jié)果顯示，折疊矩形槽波導(dǎo)行波管全頻帶內(nèi)的輸出功率、電子效率以及增益均高于折疊矩形波導(dǎo)行波管．１折疊矩形槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計折疊矩形槽波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖１所示，ａ為槽深，ｂ為槽寬，ｐ為半周期，ｓ為直波導(dǎo)段長度，ｄ為兩平板間距，ｃ表示平板高度．圖１折疊矩形槽波導(dǎo)示意圖折疊矩形槽波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化需要綜合考慮其色散特性、耦合阻抗以及衰減特性．色散特性表征了電磁波在系統(tǒng)中傳播時的相速ｖｐ隨頻率ｆ變化的關(guān)系．它關(guān)系到微波管的工作電壓、頻帶寬度、工作頻率、工作穩(wěn)定性等一系列重要指標，而耦合阻抗則表征了慢波系統(tǒng)與電子注相互作用的有效程度，與微波放大管的增益、效率直接相關(guān)，所以一般希望具有盡可能高的耦合阻抗［１５］．隨著頻率的升高，慢波結(jié)構(gòu)的衰減不斷增大，所以衰減特性也是慢波結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇中一個不可忽略的因素．１．１折疊矩形槽波導(dǎo)槽深的優(yōu)化選擇折疊矩形槽波導(dǎo)的槽深ａ主要決定著波導(dǎo)內(nèi)的截止頻率，它的改變會使色散曲線整體移動．因此，改變槽深ａ的同時也需改變半周期ｐ，使得色散曲線在中心頻率８３．５ＧＨｚ處的相速保持不變，再對色散特性進行評價．圖２顯示的是四種不同槽深ａ和半周期ｐ的優(yōu)化組合下，其歸一化

圖２四種優(yōu)化組合對色散的影響圖３四種優(yōu)化組合對耦合阻抗的影響從耦合阻抗的曲線可以看出，隨著槽深ａ的減小，截止頻率升高，耦合阻抗也單調(diào)遞增．綜合色散特性以及耦合阻抗可以看出，在８１～８６ＧＨｚ內(nèi)，ａ＝０．９ｍｍ的色散平坦度與ａ＝０．９５ｍｍ的情況相當，但耦合阻抗相對更高．１．２折疊矩形槽波導(dǎo)槽寬的優(yōu)化選擇折疊矩形槽波導(dǎo)的槽寬ｂ對色散特性的影響如圖４所示．從色散曲線可以看出，隨著ｂ的增加，工作頻帶內(nèi)的相速略有減小，但色散平坦度基本一致．圖５為８１ＧＨｚ、８３．５ＧＨｚ以及８６ＧＨｚ三個頻點的耦合阻抗隨ｂ變化的關(guān)系曲線，可以看出在ｂ＝０．４ｍｍ時耦合阻抗有一個最大值．圖４槽寬ｂ對色散的影響圖５槽寬ｂ對耦合阻抗的影響１．３折疊矩形槽波導(dǎo)周期以及直波導(dǎo)段的優(yōu)化選擇折疊矩形槽波導(dǎo)半周期ｐ增加，歸一化相速會增大；而直波導(dǎo)長度ｓ增大會使電磁波在一個周期ｐ內(nèi)走過的路徑增大，這樣會導(dǎo)致歸一化相速值變小．因此單獨分析這兩個尺寸對折疊矩形槽波導(dǎo)色散特性的影響意義不大，所以還是通過控制中心頻率８３．５ＧＨｚ處的相速不變，對比不同ｐ和ｓ組合下的冷特性．其色散曲線，耦合阻抗以及衰減情況分別如圖６，圖７，圖８所示．從圖７可以看出，這四種組合的耦合阻抗大小基本一樣，但由圖６、圖８可以看出，ｐ＝０．５８ｍｍ、ｓ＝０．４８ｍｍ組合下的色散平坦度最好且衰減最小，因此選擇ｐ和ｓ都較小的組合．圖６不同ｐ和ｓ組合對色散的影響圖７不同ｐ和ｓ組合對耦合阻抗的影

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本文編號：2728304