Ka波段TE01模回旋行波管寬帶輸入耦合器的設(shè)計(jì)

　　Ka波段TE01�；匦�行波管的輸入耦合器將矩形波導(dǎo)中輸入的TE10模轉(zhuǎn)化為圓波導(dǎo)中TE01模的行波場(chǎng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)回旋電子注角向速度的調(diào)制。本文首先對(duì)Ka波段TE01�；匦�行波管的輸入耦合器進(jìn)行了解析分析和數(shù)值計(jì)算。通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到輸入耦合器的初步結(jié)構(gòu)和尺寸,然后利用三維高頻分析軟件HFSS進(jìn)行精確的模擬和修正。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)在Ka波段獲得了3 dB帶寬約為3 GHz,1 dB帶寬大于2GHz的高性能TE1□0-TE4◎11-TE0○1輸入耦合器和3 dB帶寬約為3.5 GHz,1 dB帶寬約為3 GHz的高性能TE1□0-TE5◎11-TE0○1輸入耦合器。冷測(cè)實(shí)驗(yàn)研究表明優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果與冷測(cè)結(jié)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與普通行波管相比,具有高功率的特點(diǎn); 與普通速調(diào)管相比, 具有功率、寬頻帶的特點(diǎn)。它在毫米波成像雷達(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)際上倍受重視。輸入耦合器是回旋行波管的核心部件之一�；匦�行波管利用輸入信號(hào)對(duì)回旋電子注進(jìn)行速度調(diào)制, 由于相對(duì)論質(zhì)量效應(yīng)使其逐漸形成角向群聚, 在注-波互作用中交出能量, 產(chǎn)生高功率毫米波輸出。輸入耦合器是完成輸入信號(hào)模式變換并對(duì)回旋電子注進(jìn)行能量或速度調(diào)制的高頻器件, 與電子注的群聚狀態(tài)密切相關(guān)。輸入耦合器設(shè)計(jì)的好壞直接影響著回旋行波管的互作用效率、增益、帶寬等性能。為了實(shí)現(xiàn)較高的模式轉(zhuǎn)化效率, 展寬其頻帶, 同時(shí)有效地抑制寄生模式,輸入耦合器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜, 因此, 要對(duì)其進(jìn)行精確計(jì)算是非常困難的。國(guó)外多采用高頻結(jié)構(gòu)模擬( HFSS)軟件進(jìn)行分析和計(jì)算, 但單獨(dú)采用HFSS 對(duì)需要大量結(jié)構(gòu)尺寸分析計(jì)算和調(diào)試的輸入耦合器進(jìn)行初步設(shè)計(jì)是極不方便的, 且結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)整較為麻煩。因而本文首先對(duì)回旋行波管的輸入耦合器進(jìn)行近似的解析分析, 并編制計(jì)算程序, 1 min 內(nèi)就能完成一種結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì), 同時(shí)輸入耦合器的結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整也極為方便。在完成輸入耦合器的初步設(shè)計(jì)后, 再用HFSS 軟件加以精確模擬, 對(duì)近似分析計(jì)算進(jìn)行修正、優(yōu)化, 達(dá)到輸入耦合器的設(shè)計(jì)要求, 大大地縮短了輸入耦合器設(shè)計(jì)周期。

　　本文介紹了Ka 波段TE01�；匦�行波管的輸入耦合器設(shè)計(jì)方法。在獲得輸入耦合器的初步結(jié)構(gòu)尺寸后, 再借助HFSS 對(duì)輸入耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化, 大大縮短輸入耦合器的設(shè)計(jì)周期。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)在Ka 波段獲得了3 dB 帶寬約為3 GHz, 1 dB 帶寬大于2 GHz 的高性能輸入耦合器和3 dB 帶寬約為3􀀁5 GHz, 1 dB 帶寬約為3 GHz 的高性能 輸入耦合器。研究表明: 耦合縫偏移5􀀁小角度對(duì)輸入耦合器的性能影響不大,可見(jiàn)焊接時(shí)對(duì)耦合縫的定位精度要求不高; 輸入耦合器的3 dB 帶寬對(duì)耦合縫的尺寸比較敏感, 這就要求加工制作耦合器時(shí)要嚴(yán)格控制耦合縫的加工精度; 5 縫輸入耦合器的傳輸特性優(yōu)于4 縫輸入耦合器; 5 縫輸入耦合器的模式純度比4 縫輸入耦合器的模式純度要高。通過(guò)與冷測(cè)實(shí)驗(yàn)比較, 證明該設(shè)計(jì)方法是合理的。利用該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的寬帶輸入耦合器已成功地應(yīng)用到我們研制的回旋行波管樣管中, 并在Ka 波段獲得了40 dB 的增益, 大于2 GHz的輸出帶寬的熱測(cè)結(jié)果。