E波段折疊矩形槽波導行波管的研究

蔡偉康 王嚴梅 田艷艷 岳玲娜

(1.北京真空電子技術研究所,北京 100015;2.電子科技大學,成都 610054)

E波段折疊矩形槽波導行波管的研究

蔡偉康1王嚴梅1田艷艷1岳玲娜2

(1.北京真空電子技術研究所,北京 100015;2.電子科技大學,成都 610054)

分析了一種適用于E波段81～86 GHz空間行波管的新型慢波結構——折疊矩形槽波導.折疊矩形槽波導來源于傳統的矩形槽波導,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設計優化并最終確定了E波段折疊矩形槽波導的關鍵幾何尺寸. 同時,模擬仿真出了折疊矩形槽波導在中心頻率f=83.5 GHz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:折疊矩形槽波導行波管在中心頻點83.5 GHz處輸出功率為210 W,電子效率達到8.05%.

折疊矩形槽波導;慢波結構;行波管;E波段;帶狀電子注;注-波互作用

引 言

空間行波管作為主要的微波放大器件,廣泛地應用于衛星廣播通信系統、衛星定位系統、高速數據傳輸系統、微波成像儀器、微波遙感儀器和測控系統等衛星有效載荷系統中,它具有高效率、長壽命、體積小、重量輕的特點[1-2]. 隨著通信技術的不斷發展,對通信容量和通信速率的需求也隨之不斷增長,提高通信容量最基本有效的途徑就是通過提高工作頻率獲得更寬的帶寬.目前衛星通信主要是Ka波段以下,因此V和E波段是未來通信應用的發展方向. E波段覆蓋了60～90 GHz的頻率范圍,可應用于通信系統、雷達、電子戰和綜合系統. 慢波系統是行波管的核心部件,它直接決定著行波管的性能參數. 傳統的慢波結構有螺旋線和耦合腔,螺旋線行波管具有較寬的頻帶但是功率容量小且在高頻段易振蕩;耦合腔行波管可以輸出高功率但是頻帶相對較窄[3-4]．因此,尋找具有更寬頻帶和更高功率的慢波結構是毫米波行波管發展的一個重要方向.

目前,折疊波導[5-10]顯示出具有相對較寬頻帶的同時具有較高功率的特性,但是隨著折疊波導行波管向更高頻率發展的時候,這種慢波結構的損耗就變得越來越不容忽視. 同時折疊波導行波管使用的圓柱形電子注受到電子注通道的限制,所以電流有限,從而限制了輸出功率的大小.

2016年第17屆國際真空電子學會議上分別報道了美國L3公司研發的E波段折疊波導行波管和InnoSys公司研發的E波段連續波行波管的最新研制進展. 其中L3公司的E波段折疊波導行波管工作電壓為20.8 kV,電流為220 mA,連續波工作,飽和功率大于100 W(最大225 W),效率大于20%(最高50%);InnoSys公司研發的E波段連續波行波管采用微加工工藝制作新型耦合腔注-波互作用結構,工作電壓16 kV,電流90 mA,其無切斷單段互作用電路實現增益25 dB,飽和輸出功率90 W. 國內目前E波段還處于研制階段,迫切需要尋找適合于E波段工作的新型慢波結構. 槽波導是一種新型的毫米波、亞毫米波傳輸線,與矩形波導相比,具有結構尺寸大,單模工作的頻帶寬等特點,最重要的是,槽波導是一種半開放結構,特別容易加工. 本文研究的將槽波導沿著E面順槽來回彎曲形成的折疊槽波導[11-14]慢波結構,具有天然形成的電子注通道,并允許帶狀電子注通過,將會極大改善行波管的高頻特性. 在帶狀電子注厚度與通常在折疊波導中使用的圓柱形電子注直徑相同的情況下,前者的電流可以大得多,可以增加輸出功率. 因此,折疊槽波導有望成為一種適用于毫米波行波管乃至THz真空器件的新型慢波結構,而折疊矩形槽波導是折疊槽波導中槽形狀最簡單的一種結構.

本文首先在Ansoft HFSS中設計優化了E波段折疊矩形槽波導的關鍵幾何尺寸,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行波管的注-波互作用過程,并與優化后的E波段折疊矩形波導行波管做了對比.結果顯示,折疊矩形槽波導行波管全頻帶內的輸出功率、電子效率以及增益均高于折疊矩形波導行波管.

1 折疊矩形槽波導結構參數的優化設計

折疊矩形槽波導的結構參數如圖1所示,a為槽深,b為槽寬,p為半周期,s為直波導段長度,d為兩平板間距,c表示平板高度.

圖1 折疊矩形槽波導示意圖

折疊矩形槽波導結構參數的優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中傳播時的相速vp隨頻率f變化的關系. 它關系到微波管的工作電壓、頻帶寬度、工作頻率、工作穩定性等一系列重要指標,而耦合阻抗則表征了慢波系統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,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,慢波結構的衰減不斷增大,所以衰減特性也是慢波結構參數選擇中一個不可忽略的因素.

1.1折疊矩形槽波導槽深的優化選擇

折疊矩形槽波導的槽深a主要決定著波導內的截止頻率,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83.5 GHz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的優化組合下,其歸一化相速隨頻率的變化關系,對應的耦合阻抗如圖3所示.

圖2 四種優化組合對色散的影響

圖3 四種優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,耦合阻抗也單調遞增. 綜合色散特性以及耦合阻抗可以看出,在81～86 GHz內,a=0.9 mm的色散平坦度與a=0.95 mm的情況相當,但耦合阻抗相對更高.

1.2折疊矩形槽波導槽寬的優化選擇

折疊矩形槽波導的槽寬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,工作頻帶內的相速略有減小,但色散平坦度基本一致. 圖5為81 GHz、83.5 GHz以及86 GHz三個頻點的耦合阻抗隨b變化的關系曲線,可以看出在b=0.4 mm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折疊矩形槽波導周期以及直波導段的優化選擇

折疊矩形槽波導半周期p增加,歸一化相速會增大;而直波導長度s增大會使電磁波在一個周期p內走過的路徑增大,這樣會導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色散特性的影響意義不大,所以還是通過控制中心頻率83.5 GHz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=0.58 mm、s=0.48 mm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響

圖8 不同p和s組合的衰減

1.4折疊矩形槽波導平板間距的優化選擇

平板間距d的變化對色散特性以及耦合阻抗的影響分別如圖9,圖10所示. 可以看出,隨著d的減小,色散曲線整體向上移動,耦合阻抗也相應升高. 但平板間距d的減小會對電子注聚焦系統提出更高的要求,因此,綜合考慮選擇d=0.25 mm作為平板間距.

The minimum RMI, which corresponds to x = 1 (see inset in Fig. 9), is 0.28 (negative bias) and 0.36 (positive bias).

圖9 平板間距d對色散的影響

圖10 平板間距d對耦合阻抗的影響

1.5折疊矩形槽波導帶狀電子注的加載

圖11是折疊矩形槽波導的橫向電場圖.從圖11可以明顯看出,在越靠近平板間距中心的電場越弱,越往兩邊電場越強.在Ansoft HFSS中改變軸上耦合

組抗的積分線的位置,得出在中心頻率f=83.5 GHz處,折疊矩形槽波導耦合阻抗分別沿x和y方向的變化趨勢,其結果如圖12所示．從圖12可以看出在y方向上,折疊矩形槽波導的耦合阻抗變化較快,而在x方向上,折疊矩形槽波導耦合阻抗基本不變,該結論與圖11的電場分布情況完全吻合.

圖11 折疊矩形槽波導橫向電場圖

圖12 折疊矩形槽波導x和y方向耦合阻抗變化曲線

圖13(a)顯示的是折疊矩形槽波導加載圓柱形電子注的情況,取電子注內S1和S2兩個位置來討論．可以看出,在寬度dy一樣的條件下,S1的面積明顯比S2小,但面積S1內的電場又比S2內的強,即在面積小的地方場強反而更強,那么整個電子注通道內的平均耦合阻抗勢必會小.如果加載帶狀電子注,其情況如圖13(b)所示,同樣在不同位置處取S3,S4兩部分來比較．可以看出,不管在電場強的地方還是電場弱的地方,二者的面積一樣大,那么相比圓柱形電子注,帶狀電子注可以在電子注通道內獲得更高的平均耦合阻抗,從此說明折疊矩形槽波導更適合加載帶狀電子注.

(a) 加載圓柱形電子注 (b) 加載帶狀電子注圖13 加載不同形狀電子注示意圖

2 折疊矩形槽波導注-波互作用模擬

本節在CST粒子工作室中建立了一個折疊矩形槽波導行波管,其模型如圖14所示,主要分為三部分:輸入端口、慢波結構和輸出端口. 其中采用截斷方式抑制由反射引起的自激振蕩,第一段長度為20個周期,第二段為26周期.

為了將矩形波導的TE10模順利轉換到槽波導的TE11模,本文采用了如圖15所示的過渡波導結構. 圖16是TE10模轉換到TE11模的電場分析.

為了接近實際的工藝加工,折疊矩形槽波導行波管的電子注填充比設為0.4,表1給出了慢波結構以及電子注的幾何尺寸．其中電壓為17.4kV,電流為150 mA,背景材料為相對電導率為2.8×107S/m的有耗金屬材料.

圖14 折疊矩形槽波導行波管注-波互作用模型

圖15 輸入、輸出過渡波導結構

圖16 模式轉換電場圖

圖17 折疊矩形槽波導行波管傳輸特性圖

結構參數取值結構參數取值a/mm090d/mm025b/mm040c/mm250p/mm058電子注長/mm040s/mm048電子注寬/mm010

圖18是在中心頻率f=83.5 GHz時輸出端口處的高頻電場幅值隨時間的變化情況. 從圖中可以看出,當注-波互作用進行到1.5 ns時,電場幅值達到了一個穩定的狀態,說明能量交換開始穩定,輸入能量在輸出端口得到了有效放大,說明該折疊矩形槽波導慢波結構能有效放大信號.

圖19是輸出信號的頻譜圖.從圖中可知信號的頻譜比較純凈、單一,說明該行波管中無振蕩現象,折疊矩形槽波導行波管能正常工作.

圖20～22顯示的是在互作用長度相同的條件下,折疊矩形槽波導行波管和E波段優化折疊矩形波導行波管輸出功率、電子效率以及增益的對比結果.從圖20可以看出整個E波段折疊矩形槽波導行波管輸出功率高于折疊矩形波導行波管,在中心頻率f=83.5 GHz處,折疊矩形槽波導行波管的輸出功率達到最大,為210 W. 其電子效率如圖21所示,全頻帶折疊矩形槽波導行波管電子效率大于折疊矩形波導行波管電子效率,最大電子效率可達8.05%. 增益如圖22所示,可以看出折疊矩形槽波導行波管增益明顯大于折疊矩形波導行波管增益,最大增益為28.17 dB,170 W增益帶寬為3.5 GHz.

圖18 中心頻率的輸出信號

圖19 輸出信號頻譜圖

圖20 兩種波導行波管輸出功率對比

圖21 兩種波導行波管電子效率對比

圖22 兩種波導行波管增益對比

3 結 論

本文分析了一種適用于E波段工作的新型慢波結構——折疊矩形槽波導. 這種慢波結構具有高效率、大尺寸、易加工等特點,同時可以在相對較寬帶寬內實現高功率容量,改善了傳統慢波結構在高頻段難以兼具寬帶寬和高功率容量的不足,因此這種新型慢波結構適用于E波段空間行波管. 本文首先通過仿真軟件,優化選擇了E波段折疊矩形槽波導的關鍵尺寸,并通過模擬耦合阻抗在x和y方向上的變化趨勢,說明了折疊矩形槽波導通過加載帶狀電子注可以提高電子注通道內的平均耦合阻抗. 同時在相同電流密度下,帶狀電子注允許折疊矩形槽波導加載大電流,從而實現高功率的特點. 目前模擬仿真是采用截斷方式抑制反射振蕩,后續還需進一步進行衰減器的設計研究;為了進一步提高效率后續將進行相速跳變,并進行副特性(線性特性)研究.

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蔡偉康(1993—),男,福建人,中國電子科技集團公司第十二研究所碩士研究生,主要研究方向為新型慢波結構.

王嚴梅(1965—),女,遼寧人,中國電子科技集團公司第十二研究所研究員,主要研究方向為行波管和加速管研制.

田艷艷(1985—),女,山東人,中國電子科技集團公司第十二研究所工程師,主要研究方向為毫米波段折疊槽波導行波管和K波段螺旋線行波管.

岳玲娜(1978—),女,四川人,電子科技大學工學博士生導師,主要研究方向為毫米波領域的真空電子器件.

E-Bandfoldedrectangulargroovewaveguidetraveling-wavetube

CAIWeikang1WANGYanmei1TIANYanyan1YUELingna2

(1.BeijingVacuumElectronicsResearchInstitute,Beijing100015,China;2.UniversityofElectronicandTechnologyofChina,Chengdu610054,China)

A novel slow-wave structure, folded rectangular groove waveguide, suitable for E-band space traveling wave tube is analyzed in this paper. It derives from the idea of bending a conventional rectangular groove waveguide along its longitudinal direction. Electromagnetic simulation software Ansoft HFSS is used to design and optimize the critical geometry size of E-band folded rectangular groove waveguide, to simulate the trend of interaction impedance along the x and y directions at center frequency of 83.5 GHz, and to conclude the fact that higher average interaction impedance can be achieved by applying the sheet electron beam. According to the simulation with CST particle studio, the output power of folded rectangular groove waveguide traveling wave tube is 210 W, and the electron efficiency reaches 8.05% at the center frequency of 83.5 GHz.

folded rectangular groove waveguide; slow-wave structure; traveling-wave tube; E-band; Sheet electron beam; beam-wave interaction

蔡偉康, 王嚴梅, 田艷艷, 等. E波段折疊矩形槽波導行波管的研究[J].電波科學學報,2017,32(4):455-461.

10.13443/j.cjors.2017071901

CAI W K,WANG Y M, TIAN Y Y, et al. E-Band folded rectangular groove waveguide traveling-wave tube[J]. Chinese journal of radio science,2017,32(4):455-461. (in Chinese).DOI: 10.13443/j.cjors.2017071901

TN124

A

1005-0388(2017)04-0455-07

DOI10.13443/j.cjors.2017071901

2017-07-19

聯系人： 蔡偉康 E-mail: cwk1219@163.com