W波段高功率回旋行波管寬帶輸入窗設(shè)計(jì)

　　利用場(chǎng)匹配理論和傳輸級(jí)聯(lián)矩陣建立多層介質(zhì)窗的分析方法，對(duì)回旋行波管輸入窗進(jìn)行解析分析。在理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到回旋行波管寬帶輸入窗的初步結(jié)構(gòu)和尺寸，然后再利用三維高頻分析軟件HFSS 進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在W 波段獲得了傳輸系數(shù)大于- 0. 04 dB，反射系數(shù)小于- 20 dB 的帶寬大于8 GHz 的寬帶輸入窗。冷測(cè)實(shí)驗(yàn)表明冷測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)較為吻合。

　　高功率毫米波回旋行波管在成像雷達(dá)、毫米波通信系統(tǒng)以及電子戰(zhàn)等領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用前景，因此在國(guó)際、國(guó)內(nèi)倍受重視。在毫米波波段，回旋行波管與普通行波管相比，具有高功率的特點(diǎn)，在W 波段，普通行波管的輸出功率一般不到100 W，而回旋行波管在此波段則能產(chǎn)生100 kW以上的輸出功率; 與大多數(shù)普通速調(diào)管和回旋速調(diào)管相比，其具有頻帶寬的特點(diǎn)，大多數(shù)普通速調(diào)管和回旋速調(diào)管一般輸出3 dB 帶寬不超過(guò)1%，而回旋行波管的輸出帶寬則超過(guò)3%。輸入窗是回旋行波管的關(guān)鍵部件之一，它的作用是實(shí)現(xiàn)回旋行波管管體內(nèi)的真空環(huán)境與大氣的隔絕，同時(shí)能在低反射、寬頻帶的條件下輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)。輸入窗設(shè)計(jì)的好壞對(duì)整管的帶寬和增益有較大影響。如果輸入窗的反射過(guò)大，輸入帶寬較窄，將大大降低整管的增益和帶寬。因此，有必要對(duì)回旋行波管的輸入窗進(jìn)行研究，降低其反射，展寬其輸入帶寬，進(jìn)而提高回旋行波管的性能。

　　對(duì)于Kα 波段的回旋行波管和回旋速調(diào)管，其輸入窗的一般采用矩-圓-矩盒型窗結(jié)構(gòu)，并取得了成功應(yīng)用。但在W 波段，若采用矩-圓-矩盒型窗結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石輸入窗，則輸入窗片的厚度將變得非常薄，只有0. 1 mm 左右，這給藍(lán)寶石輸入窗的加工和焊接帶來(lái)很大難度。鑒于此，采用多層窗片結(jié)構(gòu)是W波段回旋行波管輸入窗的理想方案，該結(jié)構(gòu)輸入窗不僅滿足低反射、寬帶寬的要求，而且藍(lán)寶石輸入窗片的厚度達(dá)到0. 5 mm 左右，易于加工和焊接，整管的真空氣密性得到了保障。本文首先利用場(chǎng)匹配理論建立傳輸級(jí)聯(lián)矩陣的方法對(duì)多層窗片結(jié)構(gòu)輸入窗進(jìn)行解析分析計(jì)算，完成雙窗片結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石輸入窗初始結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)。再利用三維高頻分析軟件HFSS 對(duì)初始結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，同時(shí)加工了測(cè)試樣品，通過(guò)冷測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，大大縮短了輸入窗的設(shè)計(jì)周期。

1、理論分析

　　為了展寬回旋行波管輸入窗的輸入帶寬，本文采用雙層窗片結(jié)構(gòu)的輸入窗，以達(dá)到增加輸入窗帶寬的目的。圖1 為雙窗片結(jié)構(gòu)輸入窗的3 維模型。

圖1 雙窗片結(jié)構(gòu)輸入窗3 維模型

　　輸入窗的傳輸波導(dǎo)中工作模式在輸入窗內(nèi)外的場(chǎng)分布及透射和反射系數(shù)可以通過(guò)場(chǎng)匹配理論建立傳輸級(jí)聯(lián)矩陣的辦法來(lái)分析。對(duì)n 層窗片結(jié)構(gòu)的輸入窗，可以看成2n + 1 個(gè)介質(zhì)填充波導(dǎo)的2n個(gè)介質(zhì)交界面。對(duì)于第p 個(gè)填充區(qū)域，其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)為μp和εp。

結(jié)論

　　本文首先利用場(chǎng)匹配理論建立傳輸級(jí)聯(lián)矩陣的方法對(duì)多層窗片結(jié)構(gòu)輸入窗進(jìn)行解析分析計(jì)算，再利用三維高頻分析軟件HFSS 進(jìn)行建模仿真優(yōu)化，在W 波段完成了輸入帶寬大于8 GHz 的雙窗片結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石輸入窗的設(shè)計(jì)。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)加工了測(cè)試樣品。通過(guò)冷測(cè)實(shí)驗(yàn)，在W 波段該樣品的反射系數(shù)小于- 20 dB 的輸入帶寬大于8 GHz。以上的研究工作為W 波段高功率回旋行波管輸入窗的研制提供了技術(shù)支持。