一種Ka波段回旋行波管輸出窗設計

肖冠男,紀學軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

一種Ka波段回旋行波管輸出窗設計

肖冠男,紀學軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對Ka波段回旋行波管輸出窗介質窗片易打壞的問題，引入了3層介質厚窗結構和液冷結構。利用微波網絡場匹配理論建立傳輸級聯矩陣的方法對多層窗片結構輸出窗進行研究，給出Ka波段回旋行波管一種新型中間液冷結構輸出窗的參數，通過CST進行仿真驗證和優化處理，并進一步結合熱損耗公式和ANSYS Workbench對輸出窗進行熱分析，在26.3～35.7 GHz頻帶范圍內，實現S21>-0.5 dB。

3層介質輸出窗；回旋行波管；Ka波段

0 引言

真空電子器件被稱為國防大功率設備的心臟，其中毫米波回旋行波管(Gyro-TWT)以其高增益、寬帶寬的優良特性在電子對抗雷達通信等領域受到了越來越多的關注[1]。輸出窗是微波管的重要部件之一，其優劣直接關系到微波管的性能和壽命。輸出窗是速調管末端的功率輸出部件，作用是隔絕真空與大氣，但不妨礙微波功率的傳輸，即完成外部環境與速調管內的高真空之間的氣體密封和能量傳輸。一方面，如果高功率輸出窗傳輸特性不好,則微波會反射回高頻結構，當大功率信號傳輸時，反射的微波能量會將駐波互作用高頻結構燒毀。另一方面，由于實際情況輸出窗材料的損耗角正切不可能為零，大功率微波通過輸出窗會產生大量的耗散功率，容易造成輸出窗溫度過高、熱應力過大而損壞[2]。

近年來，高功率毫米波回旋管的研究取得了重大進展，平均功率已達到kW級以上，隨之而來的是輸出窗損壞的現象越來越突出。輸出窗的功率容量已經制約了高功率毫米波回旋管功率水平的進一步提高。因此，本文對回旋行波管輸出窗結構進行研究改進，在3層介質厚窗中間加入液冷結構，提升了輸出窗功率容量，進而提高回旋行波管的性能[3]。

1 輸出窗結構及材料選擇

回旋行波管是寬帶寬、大功率器件，因此輸出窗作為隔絕外部大氣環境，同時傳輸高功率微波的重要媒介，亦需要寬帶寬、功率容量盡可能大，且具有足夠的機械強度和良好的真空度及氣密性[4]。

回旋管輸出窗的結構種類很多，其中最基本的就是單窗片圓波導輸出窗，即在均勻圓波導中焊入圓介質窗片，這是后面很多輸出窗改進前的原型。為了增加輸出窗的帶寬，解決輸出窗在高功率傳輸時打火的問題，這里構造盒型窗來解決；高頻率、高功率傳輸情況下，窗片太薄容易由于溫度過高、熱應力過大而擊穿損壞，因此這里采用3層介質窗片；此外還需對窗片進行冷卻，防止功率增大引起窗片局部過熱，提高輸出窗的散熱特性及增加輸出窗的功率容量，加入了中間液冷結構，通過小孔加注低電磁損耗的冷卻液對輸出窗進行冷卻，最終結構如圖1所示。

圖1 輸出窗結構

藍寶石機械強度高，具有較好的抗拉強度，可以加工成0.1 mm厚的高精度氣密薄片。藍寶石可以承受與窗片焊接和真空排氣時的高溫，環保性能較好，現在封裝好的藍寶石輸出窗已經得到了成功運用，批量生產成本適中[5]。CVD金剛石是一種低相對介電常數和低介電損耗的晶型介質材料，具有很強的共價鍵，因此具有很低的損耗因子，微波通過時耗散功率很小，是一種不錯的輸出窗材料[6]。因此，設計中選擇藍寶石(介電常數9.0)作為窗片3層介質結構中間層的材料，兩邊介質層采用CVD金剛石(介電常數5.7)。

2 參數初始設置

初步選定窗片半徑R=7 mm，矩形波導側面尺寸為12.5 mm×6.25 mm。首先確定中間3層介質結構的厚度，由于實際情況圓波導與矩形波導、介質窗片表面處反射不可避免，在大功率、高增益情況下，如果窗片的反射增高，返回到回旋管駐波作用區的功率將顯著上升。由于回旋行波管經常工作在非線性區，引起摻雜的寄生模式在高頻系統中自激振蕩，從而降低回旋管的高頻輸出功率和模式純度，乃至于降低回旋管的可靠性。所以輸出窗片的厚度并不是隨意設定，需要考慮反射率，使反射率降至最低，從而減小反射波功率，降低波損耗，還要易于加工[7]。中間液冷結構可作為圓波導處理，由斯涅耳定律和菲涅爾定律以及圓波導場方程可知對工作模式為TE01中心頻率31 GHz上的回旋管放大器得到無反射輸出窗的厚度公式為：

(1)

式中，λ為波導波長；εr為窗片介電常數；χmn為工作模式常數；p取整數；R為波導半徑。輸出窗一般取適當厚度，窗片過薄容易減小其吸收功率，厚度過大則造成散熱困難[8]，因此將相關參數代入式(1)，計算得知3層結構藍寶石中間層為1.153 mm，CVD金剛石介質層為0.907 mm，介質中間液冷結構長度為2.236 mm。

等效電路理論方法是對盒型輸出窗進行傳輸特性分析的普遍理論[9]。當輸出窗的工作頻段到較高時，由于介質窗的高介電常數，則電厚度與波導波長相比不再很小，所以將其等效為半波長傳輸線，此時盒型窗的等效電路如圖2所示。

圖2 輸出窗等效電路

輸出窗默認傳輸TE10模，t1和Z1分別為矩形波導的長度和傳輸TE10模時的等效阻抗，t2和Z2分別為介質窗兩邊圓波導的長度和傳輸阻抗，t3為液冷結構長度，B為圓波導與矩形波導的轉換不連續所引入歸一化電納[10]。

由上述3段介質和液冷結構等效為半波長傳輸線，再結合等效網絡理論，可得到如圖2所示的等效電路的歸一化網絡矩陣表達式：

(2)

(3)

(4)

反射系數r為：

(5)

反射為0時，由式(5)可得：

Y1tan2θ-2X1tanθ+Z1=0。

(6)

3 仿真分析

將理論計算所得參數使用CST微波工作室進行結構建模和仿真優化[13]，最終優化結構模型如圖3所示，Ka波段內S21結果如圖4所示。可以發現，在帶內反射小，在27～34 GHz頻帶范圍內，S21>-0.3 dB，而且曲線進行平滑、無尖峰，滿足設計需要。

圖3 輸出窗CST仿真模型

圖4 輸出窗傳播參數

通過優化設計得到最終尺寸：圓波導和窗片半徑6.782 mm，3層結構藍寶石中間層為1.136 mm，氮化鋁介質層為0.925 mm。介質中間圓波導長度t1為2.357 mm，介質窗兩邊圓波導的長度t2為1.145 mm。矩形波導側面尺寸12.1 mm×6.05 mm，長度t3為3.044 mm。整個輸出窗內的電場強度的分布如圖5所示。由圖5可以看出，2個3層介質結構總的厚度接近3 mm，這大大增加了窗片厚度；中間介質表面的電場矢量方向平行于介質表面，這樣減小了介質表面的縱向電場分量。場強最大處集中在圓波導，窗片介質內部電場強度較小。綜上所述，這種設計減少了窗片的損壞概率,比一般回旋管輸出窗體現出更大的優勢。

圖5 輸出窗內電場分布

回旋速調管放大器輸出窗吸收功率與輸出功率成正比[14]，輸出功率可以通過輸出窗界面上入射行波場的Poynting矢量積分得到：

(7)

而回旋管輸出窗的吸收功率Ps可以通過輸出窗材料吸收功率密度的體積分得到：

(8)

則由式(7)、式(8)以及圓波導TE01模式公式可以得到吸收功率與輸出功率的關系式：

(9)

引入輸出窗材料熱損耗式(9)可得出當輸出功率為50kW時，輸出窗片的平均吸收功率約為25.4W。由ANSYSWorkbench進行電磁熱耦合分析如圖6所示。

由圖6可知，越靠近窗片中心位置溫度越高。為了避免窗片過熱，中間加入液冷結構如圖7所示，窗片的最高溫度和最低溫度隨著冷卻水溫度降低而降低，而且降低的幅度基本相同，窗片上的最高溫度和最低溫度值都隨冷卻水對流系數的增大而減小，達到一定程度后，最高溫度和最低溫度趨于穩定，不會繼續降低[15]。在實際熱測過程(50kW)中，液冷啟動前后，窗片溫度下降28.2 ℃，輸出窗窗片能更穩定地工作，液冷結構對輸出窗起到了很好的冷卻效果。

圖6 窗片溫度分布

圖7 輸出窗的液冷裝置

4 結束語

本文用微波等效電路和網絡傳輸矩陣理論分析設計了Ka波段回旋行波管的輸出窗。針對傳統回旋行波管輸出窗的易打壞和散熱問題，采用3層介質結構(中間藍寶石，兩邊CVD金剛石)，并引入液冷結構，分別利用高頻模擬軟件CST-MWS和ANSYSWorkbench進行了設計仿真和熱測分析，結果表明,輸出窗在中心頻率31GHz、9.4GHz頻帶范圍內，S21在0.5 dB以內，既提高介質窗片的厚度，避免輸出窗經常打壞，同時解決了厚窗散熱問題，提高了功率容量，進而提升回旋行波管的工程應用價值。

[1] 鄢 然.磁控注入電子槍低頻振蕩分析及Ka波段回旋行波管研究[D].成都：電子科技大學，2010.

[2] JUNG S W,LEE H S,JANG K H,et al.Design Studies of the Ku-band,Wide-band Gyro-TWT amplifier[J].Journal of the Korean Physical Society,2014,64(4):537-542.

[3] 羅積潤，徐承和，張世昌，等.回旋管輸出窗頻率特性的研究[J].電子科學學刊，1987，9(5):465-468.

[4] 王文祥.微波工程技術[M].北京：國防工業出版社，2009：378-392.

[5] 徐 鵬，楊 建，丘 泰.輸出窗材料的研究進展[J].硅酸鹽通報，2007，26(6)：1 160-1 164.

[6] YAN R,LUO Y,LIU G,et al.Design and Experiment of a Q-band Gyro-TWT LOADED with Dielectric[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2012,59(12):3 612-3 617.[7] JIANG W,LUO Y,YAN R.Numerical Design and Optimization of a Curved Collector for a Q-Band Gyro-Traveling Wave Tube[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2014,61(1)：147-150.

[8] 電子管設計手冊編輯委員會.大功率速調管設計手冊[M].北京：國防工業出版社，1979.

[9] 羅 勇，李宏福，徐 勇，等.低反射低吸收高平均功率輸出窗的設計[J].強激光與粒子束，2004，16(11)：1 425-1 428.

[10] ALBERTI S,ANSERMET J P,AVRAMIDES K,et al.Experimental Study from Linear to CHAOTIC REGIMES on a Terahertzes Kauency Gyrotron Oscillator[J].Physics of Plasmas,2012,19(12):123.

[11] 陳 輝，王 麗，羅 勇，等.Q波段回旋行波管新型盒型輸出窗的設計[J].強激光與粒子束，2015，27(1)：130-135.

[12] HE W,DONALDSON C R,ZHANG L,et al.High Power Wideband Gyrotron Backward Wave Oscillator Operating Towards the Terahertz Region[J].Physical Review Letters,2013,110(16)：165.

[13] 張 敏.CST微波工作室用戶全書[M].成都：電子科技大學出版社，2004：21-50.

[14] 湯 宇.回旋管輸出窗熱性質地研究[J].核聚變與等離子體物理，1991，11(2)：124-128.

[15] 陳 輝，王 麗，徐 勇，等.Q波段回旋行波管寬帶高平均功率輸出窗設計與熱分析[J].強激光與粒子束，2014，26(12)：158-163.

肖冠男 男，(1993—)，碩士研究生。主要研究方向：回旋行波管技術。

紀學軍 男,(1966—),碩士，研究員。主要研究方向：電子對抗技術。

A Design of Output Window for Ka-band Gyro-TWT

XIAO Guan-nan,JI Xue-jun

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

For the incidental damage of output window for Ka-band Gyro-TWT,three-layer structure with wind cooling is brought in.The optimization calculation for the multiple-disk output window is studied using the theory of field-matching to build scattering matrix.Software CST and ANSYS Workbench are carried out to analyze the transmission and thermal property of output window.The results show that theS21parameters are better than -0.5 dB in the frequency range of 26.3～35.7 GHz.

three-layer structure output window;Gyro-TWT;Ka-band

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.03.15

肖冠男,紀學軍.一種Ka波段回旋行波管輸出窗設計[J].無線電工程,2017,47(3):58-61.

2016-12-19

國家科技支撐計劃基金資助項目(2014BAK02B04)。

TN124

A

1003-3106(2017)03-0058-04