X波段三间隙耦合腔型输出回路间隙阻抗的模拟计算

　　本文基于理论分析和数值模拟,对一个X波段重叠模工作的三间隙耦合输出回路进行了分析计算。讨论了总间隙阻抗与群时延之间的关系以及回路的群时延对总间隙阻抗的影响。通过合理优化群时延曲线,该X 波段三间隙耦合输出腔在三模重叠的情况下获得了1dB 输出带宽大于14.5 %(约1.3GHz) 的结果。

　　通常,传统速调管采用的重入式谐振腔的几何尺寸与工作波长成正比。当工作在较高的频率范围时,管子的腔体尺寸和间隙将会变得很小,进而限制了速调管的工作电压和输出功率。由于输出回路是速调管微波能量输出到负载的窗口,输出腔中的能量密度比群聚腔和输入腔都高且间隙电压更大,甚至可能引起间隙的高频击穿。在高频率下获得大输出功率是速调管研究的重要方向,多间隙耦合腔能够有效降低单一间隙上电压,是速调管向高频大功率发展的一种新型互作用电路。

　　多间隙耦合腔是由若干个短的相互耦合的重入式谐振腔组成的。这种特殊的结构使回路的阻抗与腔中的间隙个数成正比,对提高线路阻抗和弥补电子注电导的减小起着重要作用,从而使速调管在高频率范围仍然具有较高的互作用效率和宽的工作频带。此外,多间隙腔增加了腔体的内表面积,使管子在高频率工作时仍然具有较大的功率容量,有利于峰值功率和平均功率的提高。

　　国外的一些典型研究结果已经证实了多隙腔在兼顾高频率、大功率和宽频带等方面特性的有效性。本文将在X 波段对一个采用重叠模工作的三间隙耦合输出回路进行研究,探讨三间隙腔在展宽频带方面潜力,并在模拟计算的基础上对它的间隙阻抗进行分析计算。

1、三间隙输出腔的计算模型及结构分析

　　图1 为三间隙耦合输出腔的结构示意图,其中t 为腔间壁厚, L 为相临两间隙距离, R 为腔半径,Rb 和Rd 分别为漂移管内、外半径, g 为间隙距离, b为输出矩形波导窄边尺寸,采用腰形耦合槽,D 为耦合槽宽度, Rs 为耦合槽中心线半径,两耦合槽的角度分别为θ1 和θ2 (图中未示出) 。该三间隙耦合输出回路可等效为一个四端口网络,如图2 所示。其中端口1～3 代表三个间隙,端口4 代表输出波导。在某一给定频率,端口电压和电流可由下式联系起来:

图1 　三间隙耦合输出腔的结构示意图　　图2 　三间隙耦合输出回路的等效四端口网络

　　式中i , j = 1 , ⋯,4 , Zij是线路阻抗,它将端口i 的电压和端口j 的电流联系起来。如果输出波导接匹配负载, 则V4 = - I4 Z0 , Z0为波导端口的特性阻抗,代入式(1) 可以得到如下关系式。

　　其中:

　　在速调管理论中, 以ζij为矩阵元的3 ×3 矩阵称为耦合三间隙输出回路的阻抗矩阵, 其频率特性是速调管宽带输出回路重要的性能指标。

　　分析双间隙耦合输出回路间隙阻抗矩阵的频率特性,一般采用冷测或模拟计算的方法。本文将利用无耗互易条件, 采用三维模拟软件AnsoftHFSS 分析和计算三间隙耦合输出回路的群时延和阻抗矩阵频率特性。

　　限于篇幅，文章第二章节的部分内容省略，详细文章请邮件至作者索要。

4、结论

　　本文通过Ansoft HFSS软件模拟的手段,在X 波段设计了一个三模重叠的三间隙耦合输出腔,讨论了群时延和间隙阻抗之间的相互关系,分析了群时延对间隙阻抗频率特性的影响,找到了利用群时延控制间隙阻抗频率特性的方法。通过对群时延特性的合理控制,获得了总间隙阻抗随频率变化曲线具有良好的等波纹响应,通过重叠模协同工作,获得了- 1dB输出带宽大于14.5 %良好结果。