Ka波段滤波器加载三间隙耦合腔输出回路的仿真和测试

　　扩展相互作用速调管由多个重入式多间隙耦合腔构成, 毫米波段高功率微波源的需求推动了Ka 波段扩展互作用速调管的研制。本文采用基于微波网络理论的多间隙耦合腔输出回路间隙阻抗冷测方法, 对Ka 波段滤波器加载三间隙耦合腔输出回路进行冷参数测试, 得到该回路的间隙阻抗频率特性曲线与群时延曲线。并将冷测结果与三维电磁场软件仿真结果进行对比, 分析了两者产生异同点的原因。从阻抗频率特性的测量结果可观察到该输出回路的相对冷带宽达到4.3%,满足设计要求。

　　发展高功率和高频率的速调管, 进一步展宽速调管的频带是速调管的主要发展趋势。而在输出段中采用多间隙耦合腔高频结构则是速调管扩展带宽、提高功率容量的重要手段。采用由n 个间隙构成的多间隙耦合腔, 一方面谐振腔的内表面积变为单腔面积的n 倍, 使得腔内单位面积内的损耗下降为原来的1/ n², 解决了高平均功率速调管中高频热损耗的问题; 另一方面多间隙耦合腔相当于一个串联电路, 每个腔的间隙电压变为原来的1/ n, 这大大减少了高频击穿的可能性, 有利于峰值功率的提高; 同时采用多间隙耦合腔, 提高了谐振腔间隙的特性阻抗, 使电子注群聚更加紧密, 其电路阻抗随扩展互作用长度的增加而提高, 可获得更大的增益带宽积和更高的效率。此外, 多间隙协同作用, 增加了谐振模式的数量, 可以通过多模重叠工作展宽频带。间隙阻抗是多间隙耦合输出回路需要测量的重要参数之一。速调管的效率和输出功率取决于电子注群聚电流的基波分量和输出腔的间隙阻抗实部,在一定的基波分量下, 输出功率与间隙阻抗实部成正比。所以真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为间隙阻抗实部的带宽基本上反映了出回路的带宽。速调管的输出带宽可以通过测量输出回路间隙阻抗的频带特性来进行估算。

　　本文首先介绍了基于微波网络理论的三间隙耦合腔输出回路间隙阻抗频率特性的测量原理, 并根据此方法对Ka 波段滤波器加载三间隙耦合腔输出回路进行了CST-MWS(CST-Microwave Studio) 软件仿真和冷参数测量, 分别得到了两者的间隙阻抗与群时延曲线。从测量结果可得到该输出回路的相对带宽达到4.3% 。这为研制出宽频带的扩展相互作用速调管(EIK) 打下坚实的基础。

间隙阻抗的测量原理

　　三间隙耦合腔输出电路可以看作一个四端口网络, 图1 为等效网络示意图。

图1 三间隙耦合腔输出回路等效微波网络示意图

　　端口1- 端口3 代表三个间隙, 端口4 代表输出波导。设四端口网络的阻抗矩阵系数为Zij ( i , j =1, ...., 4) , 在给定频率下, 四个端口的电压Vi 与电流Ij 的关系可如下表示

　　对于实际输出回路而言, 感兴趣的是当输出波导接匹配负载时的间隙阻抗。当端口匹配时, 其归一化端口阻抗为: Z4= V4/ I4= - 1, 负号表示输出端口所定义的电流方向是流向被测网络而不是匹配负载, 将代入式(1) , 并消去V4 和I 4 可得到电压与电流存在如下关系

　　本文首先介绍了基于微波网络理论测量三间隙耦合腔输出回路间隙阻抗频率特性的测量原理和测试方法。根据此方法对Ka 波段滤波器加载三间隙耦合腔输出回路进行冷参数测量, 得到了该回路的群时延与实部间隙阻抗频率特性曲线, 从阻抗频率特性曲线可观察到其相对带宽达到4.3% , 满足设计要求。这将为研制出工作电压为13 kV、电流为0.7 A、热测带宽为4%, 输出功率为2 kW 的EIK 打下坚实的基础。下一步的工作是对输出回路进一步调试, 使通过冷测得到的间隙阻抗频率特性具有更良好的等波纹响应特性, 以达到增大带宽的目的。