E波段折叠矩形槽波导行波管的研究

蔡伟康 王严梅 田艳艳 岳玲娜

(1.北京真空电子技术研究所,北京 100015;2.电子科技大学,成都 610054)

E波段折叠矩形槽波导行波管的研究

蔡伟康1王严梅1田艳艳1岳玲娜2

(1.北京真空电子技术研究所,北京 100015;2.电子科技大学,成都 610054)

分析了一种适用于E波段81～86 GHz空间行波管的新型慢波结构——折叠矩形槽波导.折叠矩形槽波导来源于传统的矩形槽波导,将E面沿其纵向来回弯曲而形成. 利用电磁场仿真软件Ansoft HFSS设计优化并最终确定了E波段折叠矩形槽波导的关键几何尺寸. 同时,模拟仿真出了折叠矩形槽波导在中心频率f=83.5 GHz处的耦合阻抗沿x和y方向上的变化趋势,得出其可通过加载带状电子注获得更高的平均耦合阻抗. 利用CST粒子工作室模拟得出:折叠矩形槽波导行波管在中心频点83.5 GHz处输出功率为210 W,电子效率达到8.05%.

折叠矩形槽波导;慢波结构;行波管;E波段;带状电子注;注-波互作用

引 言

空间行波管作为主要的微波放大器件,广泛地应用于卫星广播通信系统、卫星定位系统、高速数据传输系统、微波成像仪器、微波遥感仪器和测控系统等卫星有效载荷系统中,它具有高效率、长寿命、体积小、重量轻的特点[1-2]. 随着通信技术的不断发展,对通信容量和通信速率的需求也随之不断增长,提高通信容量最基本有效的途径就是通过提高工作频率获得更宽的带宽.目前卫星通信主要是Ka波段以下,因此V和E波段是未来通信应用的发展方向. E波段覆盖了60～90 GHz的频率范围,可应用于通信系统、雷达、电子战和综合系统. 慢波系统是行波管的核心部件,它直接决定着行波管的性能参数. 传统的慢波结构有螺旋线和耦合腔,螺旋线行波管具有较宽的频带但是功率容量小且在高频段易振荡;耦合腔行波管可以输出高功率但是频带相对较窄[3-4]．因此,寻找具有更宽频带和更高功率的慢波结构是毫米波行波管发展的一个重要方向.

目前,折叠波导[5-10]显示出具有相对较宽频带的同时具有较高功率的特性,但是随着折叠波导行波管向更高频率发展的时候,这种慢波结构的损耗就变得越来越不容忽视. 同时折叠波导行波管使用的圆柱形电子注受到电子注通道的限制,所以电流有限,从而限制了输出功率的大小.

2016年第17届国际真空电子学会议上分别报道了美国L3公司研发的E波段折叠波导行波管和InnoSys公司研发的E波段连续波行波管的最新研制进展. 其中L3公司的E波段折叠波导行波管工作电压为20.8 kV,电流为220 mA,连续波工作,饱和功率大于100 W(最大225 W),效率大于20%(最高50%);InnoSys公司研发的E波段连续波行波管采用微加工工艺制作新型耦合腔注-波互作用结构,工作电压16 kV,电流90 mA,其无切断单段互作用电路实现增益25 dB,饱和输出功率90 W. 国内目前E波段还处于研制阶段,迫切需要寻找适合于E波段工作的新型慢波结构. 槽波导是一种新型的毫米波、亚毫米波传输线,与矩形波导相比,具有结构尺寸大,单模工作的频带宽等特点,最重要的是,槽波导是一种半开放结构,特别容易加工. 本文研究的将槽波导沿着E面顺槽来回弯曲形成的折叠槽波导[11-14]慢波结构,具有天然形成的电子注通道,并允许带状电子注通过,将会极大改善行波管的高频特性. 在带状电子注厚度与通常在折叠波导中使用的圆柱形电子注直径相同的情况下,前者的电流可以大得多,可以增加输出功率. 因此,折叠槽波导有望成为一种适用于毫米波行波管乃至THz真空器件的新型慢波结构,而折叠矩形槽波导是折叠槽波导中槽形状最简单的一种结构.

本文首先在Ansoft HFSS中设计优化了E波段折叠矩形槽波导的关键几何尺寸,并从横截面场分布分析了截面平均耦合阻抗的特点,证明折叠矩形

槽波导适合加载带状电子注, 最后在三维粒子模拟软件CST粒子工作室中模拟了折叠矩形槽波导行波管的注-波互作用过程,并与优化后的E波段折叠矩形波导行波管做了对比.结果显示,折叠矩形槽波导行波管全频带内的输出功率、电子效率以及增益均高于折叠矩形波导行波管.

1 折叠矩形槽波导结构参数的优化设计

折叠矩形槽波导的结构参数如图1所示,a为槽深,b为槽宽,p为半周期,s为直波导段长度,d为两平板间距,c表示平板高度.

图1 折叠矩形槽波导示意图

折叠矩形槽波导结构参数的优化需要综合考虑其色散特性、耦合阻抗以及衰减特性. 色散特性表征了电磁波在系统中传播时的相速vp随频率f变化的关系. 它关系到微波管的工作电压、频带宽度、工作频率、工作稳定性等一系列重要指标,而耦合阻抗则表征了慢波系统与电子注相互作用的有效程度,与微波放大管的增益、效率直接相关,所以一般希望具有尽可能高的耦合阻抗[15]. 随着频率的升高,慢波结构的衰减不断增大,所以衰减特性也是慢波结构参数选择中一个不可忽略的因素.

1.1折叠矩形槽波导槽深的优化选择

折叠矩形槽波导的槽深a主要决定着波导内的截止频率,它的改变会使色散曲线整体移动．因此,改变槽深a的同时也需改变半周期p,使得色散曲线在中心频率83.5 GHz处的相速保持不变,再对色散特性进行评价. 图2显示的是四种不同槽深a和半周期p的优化组合下,其归一化相速随频率的变化关系,对应的耦合阻抗如图3所示.

图2 四种优化组合对色散的影响

图3 四种优化组合对耦合阻抗的影响

从耦合阻抗的曲线可以看出,随着槽深a的减小,截止频率升高,耦合阻抗也单调递增. 综合色散特性以及耦合阻抗可以看出,在81～86 GHz内,a=0.9 mm的色散平坦度与a=0.95 mm的情况相当,但耦合阻抗相对更高.

1.2折叠矩形槽波导槽宽的优化选择

折叠矩形槽波导的槽宽b对色散特性的影响如图4所示. 从色散曲线可以看出,随着b的增加,工作频带内的相速略有减小,但色散平坦度基本一致. 图5为81 GHz、83.5 GHz以及86 GHz三个频点的耦合阻抗随b变化的关系曲线,可以看出在b=0.4 mm时耦合阻抗有一个最大值.

图4 槽宽b对色散的影响

图5 槽宽b对耦合阻抗的影响

1.3折叠矩形槽波导周期以及直波导段的优化选择

折叠矩形槽波导半周期p增加,归一化相速会增大;而直波导长度s增大会使电磁波在一个周期p内走过的路径增大,这样会导致归一化相速值变小. 因此单独分析这两个尺寸对折叠矩形槽波导色散特性的影响意义不大,所以还是通过控制中心频率83.5 GHz处的相速不变,对比不同p和s组合下的冷特性. 其色散曲线,耦合阻抗以及衰减情况分别如图6,图7,图8 所示. 从图7可以看出,这四种组合的耦合阻抗大小基本一样,但由图6、图8可以看出,p=0.58 mm、s=0.48 mm组合下的色散平坦度最好且衰减最小,因此选择p和s都较小的组合.

图6 不同p和s组合对色散的影响

图7 不同p和s组合对耦合阻抗的影响

图8 不同p和s组合的衰减

1.4折叠矩形槽波导平板间距的优化选择

平板间距d的变化对色散特性以及耦合阻抗的影响分别如图9,图10所示. 可以看出,随着d的减小,色散曲线整体向上移动,耦合阻抗也相应升高. 但平板间距d的减小会对电子注聚焦系统提出更高的要求,因此,综合考虑选择d=0.25 mm作为平板间距.

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

图9 平板间距d对色散的影响

图10 平板间距d对耦合阻抗的影响

1.5折叠矩形槽波导带状电子注的加载

图11是折叠矩形槽波导的横向电场图.从图11可以明显看出,在越靠近平板间距中心的电场越弱,越往两边电场越强.在Ansoft HFSS中改变轴上耦合

组抗的积分线的位置,得出在中心频率f=83.5 GHz处,折叠矩形槽波导耦合阻抗分别沿x和y方向的变化趋势,其结果如图12所示．从图12可以看出在y方向上,折叠矩形槽波导的耦合阻抗变化较快,而在x方向上,折叠矩形槽波导耦合阻抗基本不变,该结论与图11的电场分布情况完全吻合.

图11 折叠矩形槽波导横向电场图

图12 折叠矩形槽波导x和y方向耦合阻抗变化曲线

图13(a)显示的是折叠矩形槽波导加载圆柱形电子注的情况,取电子注内S1和S2两个位置来讨论．可以看出,在宽度dy一样的条件下,S1的面积明显比S2小,但面积S1内的电场又比S2内的强,即在面积小的地方场强反而更强,那么整个电子注通道内的平均耦合阻抗势必会小.如果加载带状电子注,其情况如图13(b)所示,同样在不同位置处取S3,S4两部分来比较．可以看出,不管在电场强的地方还是电场弱的地方,二者的面积一样大,那么相比圆柱形电子注,带状电子注可以在电子注通道内获得更高的平均耦合阻抗,从此说明折叠矩形槽波导更适合加载带状电子注.

(a) 加载圆柱形电子注 (b) 加载带状电子注图13 加载不同形状电子注示意图

2 折叠矩形槽波导注-波互作用模拟

本节在CST粒子工作室中建立了一个折叠矩形槽波导行波管,其模型如图14所示,主要分为三部分:输入端口、慢波结构和输出端口. 其中采用截断方式抑制由反射引起的自激振荡,第一段长度为20个周期,第二段为26周期.

为了将矩形波导的TE10模顺利转换到槽波导的TE11模,本文采用了如图15所示的过渡波导结构. 图16是TE10模转换到TE11模的电场分析.

为了接近实际的工艺加工,折叠矩形槽波导行波管的电子注填充比设为0.4,表1给出了慢波结构以及电子注的几何尺寸．其中电压为17.4kV,电流为150 mA,背景材料为相对电导率为2.8×107S/m的有耗金属材料.

图14 折叠矩形槽波导行波管注-波互作用模型

图15 输入、输出过渡波导结构

图16 模式转换电场图

图17 折叠矩形槽波导行波管传输特性图

结构参数取值结构参数取值a/mm090d/mm025b/mm040c/mm250p/mm058电子注长/mm040s/mm048电子注宽/mm010

图18是在中心频率f=83.5 GHz时输出端口处的高频电场幅值随时间的变化情况. 从图中可以看出,当注-波互作用进行到1.5 ns时,电场幅值达到了一个稳定的状态,说明能量交换开始稳定,输入能量在输出端口得到了有效放大,说明该折叠矩形槽波导慢波结构能有效放大信号.

图19是输出信号的频谱图.从图中可知信号的频谱比较纯净、单一,说明该行波管中无振荡现象,折叠矩形槽波导行波管能正常工作.

图20～22显示的是在互作用长度相同的条件下,折叠矩形槽波导行波管和E波段优化折叠矩形波导行波管输出功率、电子效率以及增益的对比结果.从图20可以看出整个E波段折叠矩形槽波导行波管输出功率高于折叠矩形波导行波管,在中心频率f=83.5 GHz处,折叠矩形槽波导行波管的输出功率达到最大,为210 W. 其电子效率如图21所示,全频带折叠矩形槽波导行波管电子效率大于折叠矩形波导行波管电子效率,最大电子效率可达8.05%. 增益如图22所示,可以看出折叠矩形槽波导行波管增益明显大于折叠矩形波导行波管增益,最大增益为28.17 dB,170 W增益带宽为3.5 GHz.

图18 中心频率的输出信号

图19 输出信号频谱图

图20 两种波导行波管输出功率对比

图21 两种波导行波管电子效率对比

图22 两种波导行波管增益对比

3 结 论

本文分析了一种适用于E波段工作的新型慢波结构——折叠矩形槽波导. 这种慢波结构具有高效率、大尺寸、易加工等特点,同时可以在相对较宽带宽内实现高功率容量,改善了传统慢波结构在高频段难以兼具宽带宽和高功率容量的不足,因此这种新型慢波结构适用于E波段空间行波管. 本文首先通过仿真软件,优化选择了E波段折叠矩形槽波导的关键尺寸,并通过模拟耦合阻抗在x和y方向上的变化趋势,说明了折叠矩形槽波导通过加载带状电子注可以提高电子注通道内的平均耦合阻抗. 同时在相同电流密度下,带状电子注允许折叠矩形槽波导加载大电流,从而实现高功率的特点. 目前模拟仿真是采用截断方式抑制反射振荡,后续还需进一步进行衰减器的设计研究;为了进一步提高效率后续将进行相速跳变,并进行副特性(线性特性)研究.

[1] 王斌. 空间行波管计术发展动态[J]. 真空电子技术, 2014(6): 28-32.

WANG B. The technology development of space travelling wave tube[J]. Vacuum electronics, 2014(6): 28-32.(in Chinese)

[2] 李卓成. 国外空间行波管放大器现状与发展[J]. 空间电子技术, 2012, 9(4): 4-11.

LI Z C. The current status and developmental trends of space travelling wave tube amplifier[J]. Space electronic technology, 2012, 9(4): 4-11.(in Chinese)

[3] KOMPFNER R. The traveling wave tube[J]. Wireless world, 1946, 53(11): 369-372.

[4] 王文祥, 宫玉彬, 魏彦玉, 等. 大功率行波管新型慢波线技术的进展[J]. 真空电子技术, 2002(6): 13-18.

WANG W X, GONG Y B, WEI Y Y, et al. The advance of new slow-wave structure for high-power TWT[J]. Vacuum electronics, 2002(6): 13-18. (in Chinese)

[5] 胡银富. W波段行波管高频结构理论及实验研究[D]. 北京: 北京真空电子技术研究所, 2015.

HU Y F. Theoretical and experimental study on high-frequency structure of W-band travelling-wave tube[D]. Beijing: Beijing vacuum electronics research institute, 2015.(in Chinese)

[6] GANGULY A K, CHOI J J, ARMSTRONG C M. Linear theory of slow cyclotron interaction in double-ridged folded rectangular waveguide[J]. IEEE transactions on plasma science, 1995, 42(2): 348-355.

[7] YANG H S, MA J L, LU Z Z. Circular groove guide for short millimeter and submillimeter waves[J]. IEEE transactions on microwave theory and techniques, 1995, 43(7): 324-330.

[8] NA Y H, CHUNG S W, CHOI J J. Analysis of a broadband Q band folded waveguide traveling-wave tube[J]. IEEE transactions of plasma science, 2002, 30(3): 1017-1022.

[9] BHATTACHARJEE S, BOOSKE J H, KORY C L, et al. Folded waveguide traveling wave tube sources for terahertz radiation[J]. IEEE transactions on plasma science, 2004, 32(1): 60.

[10] THEISS A J, MEADOWS C J, FREEMAN R, et al. High-average-power W-band TWT development[J]. IEEE transactions on plasma science, 2010, 38(6): 1239-1243.

[11] TIAN Y Y, YUE L N, XU J, et al. A novel slow-wave structure-folded rectangular groove waveguide for millimeter-wave TWT[J]. IEEE transactions on electron devices, 2012, 59(2): 510-515.

[12] 薛东海, 王文样, 岳玲娜, 等. 曲折圆形槽波导慢波系统的高频特性[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(9): 1535-1538.

XUE D H, WANG W X, YUE L N, et al. Characteristics of serpentine circular groove guide slow-wave structure[J]. High power laser and particle beams, 2006, 18(9): 1535-1538.(in Chinese)

[13] 王文祥, 唐涛, 岳玲娜, 等. 曲折槽波导慢波线: 中国, 200920082778.6 [P]. 2010-8.

[14] 袁迎春, 姚靖, 张照锋, 等. 圆形槽波导振荡器的分析与设计[J]. 电子器件, 2006, 29(1): 282-286.

YUAN Y C, YAO J, ZHANG Z F, et al. Analysis and design of circular groove guide oscillator[J]. Chinese journal of electron devices, 2006, 29(1): 282-286.(in Chinese)

[15] 王文祥. 微波工程技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009: 274-276.

蔡伟康(1993—),男,福建人,中国电子科技集团公司第十二研究所硕士研究生,主要研究方向为新型慢波结构.

王严梅(1965—),女,辽宁人,中国电子科技集团公司第十二研究所研究员,主要研究方向为行波管和加速管研制.

田艳艳(1985—),女,山东人,中国电子科技集团公司第十二研究所工程师,主要研究方向为毫米波段折叠槽波导行波管和K波段螺旋线行波管.

岳玲娜(1978—),女,四川人,电子科技大学工学博士生导师,主要研究方向为毫米波领域的真空电子器件.

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

蔡伟康, 王严梅, 田艳艳, 等. E波段折叠矩形槽波导行波管的研究[J].电波科学学报,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

联系人： 蔡伟康 E-mail: cwk1219@163.com