行波管高頻結構及衰減的模擬
耦合腔行波管是一類(lèi)重要的微波器件，具有功率大、增益高、帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)，在雷達、通信、遙測等領(lǐng)域有廣泛的應用。但耦合腔行波管結構特別精細，加工工藝相當困難，而且工作頻率相當高，給微波測試帶來(lái)了一系列高難要求，費用也很高。因此，在耦合腔行波管設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了降低研究成本，我們要借助軟件對其進(jìn)行仿真。
1、高頻結構參量及衰減的優(yōu)化模擬
高頻結構設計的好壞直接關(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。因此高頻結構的分析計算是行波管設計必須和關(guān)鍵的工作。加工的實(shí)驗管采用技術(shù)上比較成熟的常規休斯型耦合腔鏈高頻結構，見(jiàn)圖1。通過(guò)實(shí)驗冷測，我們發(fā)現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(dòng)比較厲害。這說(shuō)明管子的內部反射很大，輸能裝置不匹配。而產(chǎn)生自激振蕩的一個(gè)重要原因就是管子的內部反射，為了防止自激振蕩，我們設置了集中衰減器。
圖1 休斯腔慢波結構
為了改善管子的性能，減小通頻帶的帶內波動(dòng)，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(shí)行波管工作于慢波線(xiàn)通頻帶的中心頻率時(shí)線(xiàn)上每周期相移為βl=3π/2 �？紤]相對論效應并求出電子槍加速電壓20 kV 對應的電子速度Ve，即可確定與之同步并進(jìn)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(shí)休斯腔單腔長(cháng)度l 的尺寸。而腔間隙電子渡越角一般在π/2-π，對應G 的應為l/3-2l/3。軟件模擬發(fā)現G=0.41l 時(shí)通帶性能較好， 滿(mǎn)足此范圍。
圖2 高頻結構參量模型
再次，優(yōu)化耦合槽的大小和角度，其它保持不變。
耦合系數k 定義為被耦合槽截獲的電流與耦合腔中傳導的電流的比值。經(jīng)簡(jiǎn)化，耦合系數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(cháng)度為：ls = 2π + Rsk耦合槽也可近似看作兩端短路的TEM 波平板傳輸線(xiàn)，諧振時(shí)槽的長(cháng)度ls 恰為槽孔諧振波長(cháng)的一半，此時(shí)ωs = πc/ls行波管工作于腔通帶，槽通道在腔通帶上，此時(shí)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k 不能太大。通過(guò)軟件CST模擬優(yōu)化耦合槽張角α ，rs和Rs，通過(guò)模擬發(fā)現，張角增大，槽孔變大，通頻帶變寬， 而且當α 在90°附近時(shí)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(guò)本征模擬，發(fā)現電場(chǎng)主要分布在靠近加載頭兩側的區域。當加載頭為外圓錐和內圓錐狀時(shí)，電場(chǎng)向腔壁和中心軸線(xiàn)方向迅速減弱，加載頭為圓筒狀時(shí)，電場(chǎng)主要分布在圓筒橫截面圓環(huán)區域，此區域電場(chǎng)變化不大，電場(chǎng)最強點(diǎn)分布在截面圓環(huán)內環(huán)處。電場(chǎng)向腔壁迅速減弱， 向中心軸線(xiàn)方向慢慢減弱，中心減弱到電場(chǎng)最強點(diǎn)的75%。將柱形衰減放在電場(chǎng)分布強的區域（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，模擬結果如圖3。
