Ka波段濾波器加載三間隙耦合腔輸出回路的仿真和測試

　　擴展相互作用速調管由多個(gè)重入式多間隙耦合腔構成, 毫米波段高功率微波源的需求推動(dòng)了Ka 波段擴展互作用速調管的研制。本文采用基于微波網(wǎng)絡(luò )理論的多間隙耦合腔輸出回路間隙阻抗冷測方法, 對Ka 波段濾波器加載三間隙耦合腔輸出回路進(jìn)行冷參數測試, 得到該回路的間隙阻抗頻率特性曲線(xiàn)與群時(shí)延曲線(xiàn)。并將冷測結果與三維電磁場(chǎng)軟件仿真結果進(jìn)行對比, 分析了兩者產(chǎn)生異同點(diǎn)的原因。從阻抗頻率特性的測量結果可觀(guān)察到該輸出回路的相對冷帶寬達到4.3%,滿(mǎn)足設計要求。

　　發(fā)展高功率和高頻率的速調管, 進(jìn)一步展寬速調管的頻帶是速調管的主要發(fā)展趨勢。而在輸出段中采用多間隙耦合腔高頻結構則是速調管擴展帶寬、提高功率容量的重要手段。采用由n 個(gè)間隙構成的多間隙耦合腔, 一方面諧振腔的內表面積變?yōu)閱吻幻娣e的n 倍, 使得腔內單位面積內的損耗下降為原來(lái)的1/ n², 解決了高平均功率速調管中高頻熱損耗的問(wèn)題; 另一方面多間隙耦合腔相當于一個(gè)串聯(lián)電路, 每個(gè)腔的間隙電壓變?yōu)樵瓉?lái)的1/ n, 這大大減少了高頻擊穿的可能性, 有利于峰值功率的提高; 同時(shí)采用多間隙耦合腔, 提高了諧振腔間隙的特性阻抗, 使電子注群聚更加緊密, 其電路阻抗隨擴展互作用長(cháng)度的增加而提高, 可獲得更大的增益帶寬積和更高的效率。此外, 多間隙協(xié)同作用, 增加了諧振模式的數量, 可以通過(guò)多模重疊工作展寬頻帶。間隙阻抗是多間隙耦合輸出回路需要測量的重要參數之一。速調管的效率和輸出功率取決于電子注群聚電流的基波分量和輸出腔的間隙阻抗實(shí)部,在一定的基波分量下, 輸出功率與間隙阻抗實(shí)部成正比。所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為間隙阻抗實(shí)部的帶寬基本上反映了出回路的帶寬。速調管的輸出帶寬可以通過(guò)測量輸出回路間隙阻抗的頻帶特性來(lái)進(jìn)行估算。

　　本文首先介紹了基于微波網(wǎng)絡(luò )理論的三間隙耦合腔輸出回路間隙阻抗頻率特性的測量原理, 并根據此方法對Ka 波段濾波器加載三間隙耦合腔輸出回路進(jìn)行了CST-MWS(CST-Microwave Studio) 軟件仿真和冷參數測量, 分別得到了兩者的間隙阻抗與群時(shí)延曲線(xiàn)。從測量結果可得到該輸出回路的相對帶寬達到4.3% 。這為研制出寬頻帶的擴展相互作用速調管(EIK) 打下堅實(shí)的基礎。

間隙阻抗的測量原理

　　三間隙耦合腔輸出電路可以看作一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò ), 圖1 為等效網(wǎng)絡(luò )示意圖。

圖1 三間隙耦合腔輸出回路等效微波網(wǎng)絡(luò )示意圖

　　端口1- 端口3 代表三個(gè)間隙, 端口4 代表輸出波導。設四端口網(wǎng)絡(luò )的阻抗矩陣系數為Zij ( i , j =1, ...., 4) , 在給定頻率下, 四個(gè)端口的電壓Vi 與電流Ij 的關(guān)系可如下表示

　　對于實(shí)際輸出回路而言, 感興趣的是當輸出波導接匹配負載時(shí)的間隙阻抗。當端口匹配時(shí), 其歸一化端口阻抗為: Z4= V4/ I4= - 1, 負號表示輸出端口所定義的電流方向是流向被測網(wǎng)絡(luò )而不是匹配負載, 將代入式(1) , 并消去V4 和I 4 可得到電壓與電流存在如下關(guān)系

　　本文首先介紹了基于微波網(wǎng)絡(luò )理論測量三間隙耦合腔輸出回路間隙阻抗頻率特性的測量原理和測試方法。根據此方法對Ka 波段濾波器加載三間隙耦合腔輸出回路進(jìn)行冷參數測量, 得到了該回路的群時(shí)延與實(shí)部間隙阻抗頻率特性曲線(xiàn), 從阻抗頻率特性曲線(xiàn)可觀(guān)察到其相對帶寬達到4.3% , 滿(mǎn)足設計要求。這將為研制出工作電壓為13 kV、電流為0.7 A、熱測帶寬為4%, 輸出功率為2 kW 的EIK 打下堅實(shí)的基礎。下一步的工作是對輸出回路進(jìn)一步調試, 使通過(guò)冷測得到的間隙阻抗頻率特性具有更良好的等波紋響應特性, 以達到增大帶寬的目的。