Ka波段TE01模回旋行波管宽带输入耦合器的设计

　　Ka波段TE01模回旋行波管的输入耦合器将矩形波导中输入的TE10模转化为圆波导中TE01模的行波场,以实现对回旋电子注角向速度的调制。本文首先对Ka波段TE01模回旋行波管的输入耦合器进行了解析分析和数值计算。通过数值计算得到输入耦合器的初步结构和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS进行精确的模拟和修正。通过优化设计在Ka波段获得了3 dB带宽约为3 GHz,1 dB带宽大于2GHz的高性能TE1□0-TE4◎11-TE0○1输入耦合器和3 dB带宽约为3.5 GHz,1 dB带宽约为3 GHz的高性能TE1□0-TE5◎11-TE0○1输入耦合器。冷测实验研究表明优化设计结果与冷测结果相吻合。

　　The broad-band input coupler of Ka-band TE01 mode gyro-traveling wave tube(TWT),was designed,which transforms the TE01 mode in the rectangular waveguide to TE01 mode in the circular inner waveguide.The TE01 mode modulates the transverse velocity of the electron beams in the gyro-TWT.The design involved three stages.First,the input coupler was approximated,modeled,and calculated to get the preliminary results of interest,including its structures and sizes,etc.Second,the preliminary results were simulated and modified to improve the approximation,with the 3-dimensional,high frequency structure simulation(HFSS Code) software package.Finally,two types of the input coupler were designed and fabricated based on structure optimization.One was the optimal TE□10-TE◎411-TE○10 input coupler,meeting the design requirements of 3 dB bandwidth of about 3 GHz,and 1dB bandwidth of over 2 GHz;the other TE□10-TE◎511-TE○10 input coupler,3 dB bandwidth of about 3.5 GHz,and 1dB bandwidth of approximate 3 GHz.The results of the designed were found to agree fairly well with the cold test results.

　　回旋行波管在毫米波波段与普通行波管相比,具有高功率的特点; 与普通速调管相比, 具有功率、宽频带的特点。它在毫米波成像雷达、毫米波通信系统以及电子战等领域有着十分重要的应用前景, 因此在国际上倍受重视。输入耦合器是回旋行波管的核心部件之一。回旋行波管利用输入信号对回旋电子注进行速度调制, 由于相对论质量效应使其逐渐形成角向群聚, 在注-波互作用中交出能量, 产生高功率毫米波输出。输入耦合器是完成输入信号模式变换并对回旋电子注进行能量或速度调制的高频器件, 与电子注的群聚状态密切相关。输入耦合器设计的好坏直接影响着回旋行波管的互作用效率、增益、带宽等性能。为了实现较高的模式转化效率, 展宽其频带, 同时有效地抑制寄生模式,输入耦合器的结构较复杂, 因此, 要对其进行精确计算是非常困难的。国外多采用高频结构模拟( HFSS)软件进行分析和计算, 但单独采用HFSS 对需要大量结构尺寸分析计算和调试的输入耦合器进行初步设计是极不方便的, 且结构尺寸的调整较为麻烦。因而本文首先对回旋行波管的输入耦合器进行近似的解析分析, 并编制计算程序, 1 min 内就能完成一种结构尺寸设计, 同时输入耦合器的结构尺寸调整也极为方便。在完成输入耦合器的初步设计后, 再用HFSS 软件加以精确模拟, 对近似分析计算进行修正、优化, 达到输入耦合器的设计要求, 大大地缩短了输入耦合器设计周期。

　　本文介绍了Ka 波段TE01模回旋行波管的输入耦合器设计方法。在获得输入耦合器的初步结构尺寸后, 再借助HFSS 对输入耦合器的结构参数进行优化, 大大缩短输入耦合器的设计周期。通过优化设计在Ka 波段获得了3 dB 带宽约为3 GHz, 1 dB 带宽大于2 GHz 的高性能输入耦合器和3 dB 带宽约为3􀀁5 GHz, 1 dB 带宽约为3 GHz 的高性能 输入耦合器。研究表明: 耦合缝偏移5􀀁小角度对输入耦合器的性能影响不大,可见焊接时对耦合缝的定位精度要求不高; 输入耦合器的3 dB 带宽对耦合缝的尺寸比较敏感, 这就要求加工制作耦合器时要严格控制耦合缝的加工精度; 5 缝输入耦合器的传输特性优于4 缝输入耦合器; 5 缝输入耦合器的模式纯度比4 缝输入耦合器的模式纯度要高。通过与冷测实验比较, 证明该设计方法是合理的。利用该设计方法设计的宽带输入耦合器已成功地应用到我们研制的回旋行波管样管中, 并在Ka 波段获得了40 dB 的增益, 大于2 GHz的输出带宽的热测结果。