双间隙谐振腔耦合缝调谐结构的分析与模拟

　　根据双间隙耦合腔等效电路和电磁场理论,设计了加载在谐振腔耦合缝上的调谐结构。建立了加载此调谐结构的谐振腔等效电路模型,通过理论分析得此结构能够对工作在π模式的双间隙耦合腔进行频率调谐,改变重叠模式耦合腔阻抗特性,同时减小对间隙场形的影响。软件模拟与理论分析结果一致,验证了该调谐结构的有效性,为多间隙耦合腔高频电路的研制和进一步展宽速调管输出带宽具有重要的参考意义。

　　关键词：双间隙耦合腔;等效电路;耦合缝;调谐结构

　　Abstract: The tuning structure loaded on the coupling slot in the two-gap coupled cavity was designed based on the equivalent circuit and electromagnetic field theory.The equivalent circuit was modeled and theoretically analyzed.The tuning structure was also simulated with software package CST.The calculated results show that the structure is capable of tuning the frequency of the two-gap coupled cavity in π mode,and that it changes the impedance characteristics in the overlapped mode,and reduces its impact on the field distribution at the gap.The simulated results,being consistent with the analytical ones,prove that the structure meets with the technical requirements and does a good job.We suggest that the preliminary results may be of much basic interest in development of multi-gap coupled cavity circuit and broad band extended interaction klystron.

　　Keywords: Two-gap coupled cavity,Equivalent circuit,Coupling slot,Tuning structure

　　基金项目: 国家科学自然基金项目(No.60971073,No.61062001)

　　多间隙耦合腔是速调管扩展带宽和提高功率容量的重要手段, 它能有效提高电路的R / Q, 同时能够降低每个单间隙上的工作电压、增加腔体的内表面积, 从而增大功率容量[1-2] 。目前, 双间隙耦合腔已经广泛应用于速调管, 明显提高了速调管的性能[3-8] 。基于基模的双间隙耦合腔存在三个模式(低模、2模和高模) , 其输出电路可以工作在单模式或重叠模式状态。􀀁模的谐振频率和特征阻抗受耦合缝参数的影响明显。

　　对于采用机械调谐的速调管, 其调谐结构主要用于补偿腔体焊接过程中引起的频率变化和热测过程中对整体群聚腔频率分布进行调整, 谐振腔调谐结构的设计对于保证速调管的性能有重要影响。谐振腔传统的调谐方式为电容调谐、电感调谐和复合调谐, 它们的本质都是在谐振腔内放置合适的调谐膜片或细杆来改变谐振腔的等效电容或者电感来实现频率特性的改变[1, 9] 。在多间隙耦合腔中, 这种调谐方式只能单独改变某个间隙的谐振特性, 这对于受耦合缝参数影响明显的模特性, 很难实现理想调谐, 而若对每个间隙加载此调谐结构又会使结构变复杂, 同时调谐难度增加。更好的调谐方法应该是通过调节耦合缝参数来改变多间隙腔体模的频率特性。

　　本文以双间隙耦合腔为例, 分析了在耦合缝中加入调谐模块对谐振腔特性的影响。并在此基础上设计了一种耦合缝上的调谐结构, 分析了调谐结构的不同参数对模式特性的影响。采用三维计算软件的模拟仿真结果表明该结构能够对工作在模的双间隙耦合腔进行调谐, 改变重叠模式输出腔阻抗频率特性, 同时减小对间隙场形的影响, 验证了该调谐结构的有效性。

　　本文通过微波电路理论计算分析了耦合缝参数对双间隙耦合腔不同模式特性参数的影响, 并设计了加载在耦合缝上的谐振腔调谐结构。此结构可以对工作在模式和重叠模式的双间隙耦合腔进行调谐, 在一定范围内改变谐振腔的工作频率, 对于工作重叠模式的宽带输出腔还可以实现两种窄带高效率和宽带低效率两种工作状态。同时能够减小调谐结构导致的谐振腔间隙的场型形变。通过模拟仿真验证了理论分析的合理性, 同时发现, 为保证谐振腔拥有高的特征阻抗值, 需使调谐模块厚度和角度尺寸小。本文的工作对双间隙耦合腔及更多间隙耦合的高频电路的研制和进一步拓展速调管输出段带宽具有重要的参考意义。

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