行波管高頻結(jié)構(gòu)及衰減的模擬

　　耦合腔行波管是一類重要的微波器件，具有功率大、增益高、帶寬寬等優(yōu)點，在雷達(dá)、通信、遙測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。但耦合腔行波管結(jié)構(gòu)特別精細(xì)，加工工藝相當(dāng)困難，而且工作頻率相當(dāng)高，給微波測試帶來了一系列高難要求，費用也很高。因此，在耦合腔行波管設(shè)計開發(fā)過程中，為了降低研究成本，我們要借助軟件對其進行仿真。

1、高頻結(jié)構(gòu)參量及衰減的優(yōu)化模擬

　　高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接關(guān)系到行波管能量交換效率、工作頻率范圍、帶寬以及工作模式等。因此高頻結(jié)構(gòu)的分析計算是行波管設(shè)計必須和關(guān)鍵的工作。加工的實驗管采用技術(shù)上比較成熟的常規(guī)休斯型耦合腔鏈高頻結(jié)構(gòu)，見圖1。通過實驗冷測，我們發(fā)現(xiàn)前加工的休斯型耦合腔行波管通頻帶性能較差，駐波比比較大，而且波動比較厲害。這說明管子的內(nèi)部反射很大，輸能裝置不匹配。而產(chǎn)生自激振蕩的一個重要原因就是管子的內(nèi)部反射，為了防止自激振蕩，我們設(shè)置了集中衰減器。

圖1 休斯腔慢波結(jié)構(gòu)

　　為了改善管子的性能，減小通頻帶的帶內(nèi)波動，降低管子的駐波比，我們從冷測和CST 軟件模擬出發(fā)，做了下面一些優(yōu)化工作。

　　首先，優(yōu)化耦合腔間隙G。行波管工作于腔通帶，基波是返波，電子束和前向諧波發(fā)生互作用并交換能量，這時行波管工作于慢波線通頻帶的中心頻率時線上每周期相移為βl=3π/2 �？紤]相對論效應(yīng)并求出電子槍加速電壓20 kV 對應(yīng)的電子速度Ve，即可確定與之同步并進行能量交換的高頻信號的相速Vp，由Vp=2πfl/φ可確定相移φ=3π/2，中心頻率為2.5G時休斯腔單腔長度l 的尺寸。而腔間隙電子渡越角一般在π/2-π，對應(yīng)G 的應(yīng)為l/3-2l/3。軟件模擬發(fā)現(xiàn)G=0.41l 時通帶性能較好， 滿足此范圍。

圖2 高頻結(jié)構(gòu)參量模型

　　再次，優(yōu)化耦合槽的大小和角度，其它保持不變。

　　耦合系數(shù)k 定義為被耦合槽截獲的電流與耦合腔中傳導(dǎo)的電流的比值。經(jīng)簡化，耦合系數(shù)為耦合槽的面積與形成槽環(huán)的面積比，即：

k=α/2π +rs²/Rs²

　　槽的有效長度為：l_s = 2π + R_sk耦合槽也可近似看作兩端短路的TEM 波平板傳輸線，諧振時槽的長度ls 恰為槽孔諧振波長的一半，此時ωs = πc/ls行波管工作于腔通帶，槽通道在腔通帶上，此時要求ωs 較高，從而要求ls 較小，這樣就限制了耦合槽的尺寸，也限制了耦合系數(shù)k 不能太大。通過軟件CST模擬優(yōu)化耦合槽張角α ，rs和Rs，通過模擬發(fā)現(xiàn)，張角增大，槽孔變大，通頻帶變寬， 而且當(dāng)α 在90°附近時通帶性能較好。

　　最后，優(yōu)化吸收衰減，改變吸收衰減的形狀，厚度，位置。通過本征模擬，發(fā)現(xiàn)電場主要分布在靠近加載頭兩側(cè)的區(qū)域。當(dāng)加載頭為外圓錐和內(nèi)圓錐狀時，電場向腔壁和中心軸線方向迅速減弱，加載頭為圓筒狀時，電場主要分布在圓筒橫截面圓環(huán)區(qū)域，此區(qū)域電場變化不大，電場最強點分布在截面圓環(huán)內(nèi)環(huán)處。電場向腔壁迅速減弱， 向中心軸線方向慢慢減弱，中心減弱到電場最強點的75%。將柱形衰減放在電場分布強的區(qū)域（如圖2）有利于信號的吸收衰減，反射小的多，駐波比明顯變好，模擬結(jié)果如圖3。