Ka波段雙注折疊波導(dǎo)行波管的研究
分析了單注折疊波導(dǎo)行波管增益和帶寬的限制因素，提出了采用雙注結(jié)構(gòu)提高單位長(zhǎng)度增益和拓寬帶寬的方法。模擬結(jié)果表明，在工作電壓和單注電流相同的情況下，采用同速雙注(兩電子注速度相同)可將高頻互作用系統(tǒng)飽和輸出功率提升至單注時(shí)的2.8倍，互作用效率提高了1.4倍，增益飽和長(zhǎng)度縮短了5個(gè)幾何周期;采用非同速雙注可在更寬的頻率范圍內(nèi)滿足同步條件，展寬了帶寬。設(shè)計(jì)了一工作頻率為25～29.5GHz的寬帶折疊波導(dǎo)行波管，3dB增益帶寬可達(dá)到16.5%，約占冷帶寬(12GHz，22～34GHz)的38%，輸出功率在27GHz時(shí)達(dá)到最大為256W。另外，文中對(duì)由電路內(nèi)部反射引起的增益不穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并給出了解決方法。
行波管(TWT)是微波頻段應(yīng)用最為廣泛的電真空器件之一，尤其螺旋線TWT因其具有色散特性平坦、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于通信、電子對(duì)抗等微波電子系統(tǒng)，然而在短厘米和毫米波段螺旋線TWT的功率容量低、損耗大、散熱困難，耦合腔TWT雖然能在毫米波段實(shí)現(xiàn)高功率輸出但其頻帶窄。折疊波導(dǎo)是一種新型慢波結(jié)構(gòu)，因其同時(shí)具備了頻帶寬、功率容量大、散熱性能好且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、輸入/輸出耦合簡(jiǎn)單、高頻損耗小等優(yōu)點(diǎn)受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注;然而，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)單注折疊波導(dǎo)TWT的耦合阻抗低，在達(dá)到飽和長(zhǎng)度之前，可以通過(guò)增加慢波線的長(zhǎng)度提高TWT的增益，但這會(huì)增加管子的整體尺寸和量，不利于真空器件的小型化。
折疊波導(dǎo)TWT的冷帶寬很寬，W波段可達(dá)到25%～30%，Q波段高達(dá)50%，但受到耦合阻抗和同步條件的雙重限制中心單注折疊波導(dǎo)TWT的3dB增益帶寬僅為10%左右，因此，提高增益帶寬占冷帶寬的比值是設(shè)計(jì)寬帶TWT的關(guān)鍵所在。本文對(duì)工作于基模的雙注折疊波導(dǎo)TWT進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：采用同速雙注結(jié)構(gòu)可彌補(bǔ)常規(guī)單注折疊波導(dǎo)耦合阻抗低的缺點(diǎn)，大幅度提高了單位長(zhǎng)度增益、飽和功率以及互作用效率，相應(yīng)減小了器件體積和重量;非同速雙注能夠在更寬的頻率范圍內(nèi)滿足同步條件，拓寬增益帶寬。
1、單注折疊波導(dǎo)TWT
折疊波導(dǎo)通常由彎曲矩形波導(dǎo)電場(chǎng)面制成，如圖1所示。折疊波導(dǎo)TWT一般工作在基模，即類TE10模，在寬邊中心位置電場(chǎng)幅值達(dá)到最大，因此把電子注通道放在寬邊中心耦合阻抗最大，即使如此和螺旋線相比，常規(guī)折疊波導(dǎo)的耦合阻抗仍然較低，單位長(zhǎng)度增益較小，考慮到折疊波導(dǎo)的高頻損耗小，在達(dá)到飽和長(zhǎng)度之前可以增加慢波線長(zhǎng)度提高增益，但這勢(shì)必會(huì)增加TWT的整體尺寸和重量;采用加載和脊波導(dǎo)形式可以提高折疊波導(dǎo)TWT的耦合阻抗，但帶寬犧牲很大，不適合用作寬帶TWT的慢波結(jié)構(gòu)，另外，加載還會(huì)大幅度增強(qiáng)反射，增加了輸出功率的波動(dòng)性甚至引起振蕩。采用TE10模假設(shè)、等效電路以及數(shù)值計(jì)算均可對(duì)折疊波導(dǎo)的高頻特性進(jìn)行計(jì)算，但三種方法的精度不同，TE10方法忽略了電路的周期性因此無(wú)法給出有關(guān)禁帶的信息，等效電路方法雖然考慮了電路中不連續(xù)處對(duì)高頻場(chǎng)的周期性反射，然而該方法給出的禁帶位置和寬度誤差較大，數(shù)值計(jì)算方法能更精確的計(jì)算電子注通道和彎曲波導(dǎo)對(duì)折疊波導(dǎo)高頻特性的影響，因此本文利用三維電磁仿真軟件HFSS對(duì)折疊波導(dǎo)TWT的冷腔特性進(jìn)行分析。各尺寸的選擇如下：a=6.8mm，b=0.7mm，h=2.5mm，p=2.0mm，r=0.5mm，其中a為矩形波導(dǎo)寬邊尺寸，b為矩形波導(dǎo)窄邊尺寸，h為直波導(dǎo)長(zhǎng)度，p軸向周期長(zhǎng)度，r電子注通道半徑。
圖1 單注折疊波導(dǎo)TWT示意圖
圖2給出了單注折疊波導(dǎo)歸一化相速度和耦合阻抗隨頻率的變化情況。從圖中可以看出，在低頻端耦合阻抗高，但耦合阻抗和歸一化相速度隨頻率變化劇烈;在高頻端相速度曲線變得平坦，但耦合阻抗低且隨頻率增高持續(xù)下降。圖3是用MAGIC3D軟件計(jì)算得到的單注折疊波導(dǎo)TWT的輸出功率曲線，模擬中互作用電路長(zhǎng)度為33周期(131mm)，工作電流150mA，輸入功率1.3W，電子注半徑0.3mm。圖3表明：①增大工作電壓有利于提高最大輸出功率，但最大輸出功率所對(duì)應(yīng)的頻率向低頻端移動(dòng)且輸出曲線變得更加陡峭，尤其是在低頻端。工作電壓高，電子注和低頻電磁波能更好的滿足同步條件，可以充分利用折疊波導(dǎo)在低頻端耦合阻抗大的優(yōu)點(diǎn)提高輸出功率，因此，隨著電壓升高最大輸功率增大且對(duì)應(yīng)頻率左移，但低頻端相速度隨頻率變化劇烈，最佳同步只能在較窄的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)，使得輸出曲線更加陡峭。②在高頻端輸出功率隨頻率的增加平緩下降，造成這一現(xiàn)象的主要原因是耦合阻抗隨頻率的升高而持續(xù)下降。根據(jù)上述分析可知，限制單電子注折疊波導(dǎo)TWT增益的主要因素是耦合阻抗低，而其帶寬則受耦合阻抗和同步條件的共同限制。為了突破折疊波導(dǎo)冷腔特性對(duì)其增益和帶寬的限制，本文采用對(duì)稱分布的雙注結(jié)構(gòu)。
圖2 單注折疊波導(dǎo)的高頻特性
圖3 單注折疊波導(dǎo)TWT輸出曲線
4、結(jié)論
本文對(duì)限制單注折疊波導(dǎo)TWT增益和帶寬的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出采用雙電子注折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提高增益和拓展帶寬的方法，并通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證了該方法的可行性。計(jì)算結(jié)果表明，同速雙注可以彌補(bǔ)折疊波導(dǎo)耦合阻抗較低的缺點(diǎn)，尤其是在低頻端極大地提高了單位長(zhǎng)度增益，因此在滿足輸出功率的前提下可縮短互作用電路長(zhǎng)度;非同速雙注可以在更寬的頻范圍內(nèi)滿足同步條件，有效的拓寬了增益帶寬，提高了冷帶寬的利用率。另外文中對(duì)由電路內(nèi)部反射引起的增益不穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，并指出通過(guò)減小電子注通道半徑和增加波導(dǎo)窄邊寬度均可以減小內(nèi)部反射，擴(kuò)展TWT的工作帶寬。模擬中使用的模型結(jié)構(gòu)完整并考慮了切斷和損耗對(duì)TWT放大特性的影響對(duì)實(shí)際制管有一定的指導(dǎo)意義。
