X波段三間隙耦合腔型輸出回路間隙阻抗的模擬計(jì)算

　　本文基于理論分析和數(shù)值模擬,對(duì)一個(gè)X波段重疊模工作的三間隙耦合輸出回路進(jìn)行了分析計(jì)算。討論了總間隙阻抗與群時(shí)延之間的關(guān)系以及回路的群時(shí)延對(duì)總間隙阻抗的影響。通過(guò)合理優(yōu)化群時(shí)延曲線,該X 波段三間隙耦合輸出腔在三模重疊的情況下獲得了1dB 輸出帶寬大于14.5 %(約1.3GHz) 的結(jié)果。

　　通常,傳統(tǒng)速調(diào)管采用的重入式諧振腔的幾何尺寸與工作波長(zhǎng)成正比。當(dāng)工作在較高的頻率范圍時(shí),管子的腔體尺寸和間隙將會(huì)變得很小,進(jìn)而限制了速調(diào)管的工作電壓和輸出功率。由于輸出回路是速調(diào)管微波能量輸出到負(fù)載的窗口,輸出腔中的能量密度比群聚腔和輸入腔都高且間隙電壓更大,甚至可能引起間隙的高頻擊穿。在高頻率下獲得大輸出功率是速調(diào)管研究的重要方向,多間隙耦合腔能夠有效降低單一間隙上電壓,是速調(diào)管向高頻大功率發(fā)展的一種新型互作用電路。

　　多間隙耦合腔是由若干個(gè)短的相互耦合的重入式諧振腔組成的。這種特殊的結(jié)構(gòu)使回路的阻抗與腔中的間隙個(gè)數(shù)成正比,對(duì)提高線路阻抗和彌補(bǔ)電子注電導(dǎo)的減小起著重要作用,從而使速調(diào)管在高頻率范圍仍然具有較高的互作用效率和寬的工作頻帶。此外,多間隙腔增加了腔體的內(nèi)表面積,使管子在高頻率工作時(shí)仍然具有較大的功率容量,有利于峰值功率和平均功率的提高。

　　國(guó)外的一些典型研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)了多隙腔在兼顧高頻率、大功率和寬頻帶等方面特性的有效性。本文將在X 波段對(duì)一個(gè)采用重疊模工作的三間隙耦合輸出回路進(jìn)行研究,探討三間隙腔在展寬頻帶方面潛力,并在模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)它的間隙阻抗進(jìn)行分析計(jì)算。

1、三間隙輸出腔的計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)分析

　　圖1 為三間隙耦合輸出腔的結(jié)構(gòu)示意圖,其中t 為腔間壁厚, L 為相臨兩間隙距離, R 為腔半徑,Rb 和Rd 分別為漂移管內(nèi)、外半徑, g 為間隙距離, b為輸出矩形波導(dǎo)窄邊尺寸,采用腰形耦合槽,D 為耦合槽寬度, Rs 為耦合槽中心線半徑,兩耦合槽的角度分別為θ1 和θ2 (圖中未示出) 。該三間隙耦合輸出回路可等效為一個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò),如圖2 所示。其中端口1～3 代表三個(gè)間隙,端口4 代表輸出波導(dǎo)。在某一給定頻率,端口電壓和電流可由下式聯(lián)系起來(lái):

圖1 　三間隙耦合輸出腔的結(jié)構(gòu)示意圖　　圖2 　三間隙耦合輸出回路的等效四端口網(wǎng)絡(luò)

　　式中i , j = 1 , ⋯,4 , Zij是線路阻抗,它將端口i 的電壓和端口j 的電流聯(lián)系起來(lái)。如果輸出波導(dǎo)接匹配負(fù)載, 則V4 = - I4 Z0 , Z0為波導(dǎo)端口的特性阻抗,代入式(1) 可以得到如下關(guān)系式。

　　其中:

　　在速調(diào)管理論中, 以ζij為矩陣元的3 ×3 矩陣稱為耦合三間隙輸出回路的阻抗矩陣, 其頻率特性是速調(diào)管寬帶輸出回路重要的性能指標(biāo)。

　　分析雙間隙耦合輸出回路間隙阻抗矩陣的頻率特性,一般采用冷測(cè)或模擬計(jì)算的方法。本文將利用無(wú)耗互易條件, 采用三維模擬軟件AnsoftHFSS 分析和計(jì)算三間隙耦合輸出回路的群時(shí)延和阻抗矩陣頻率特性。

　　限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請(qǐng)郵件至作者索要。

4、結(jié)論

　　本文通過(guò)Ansoft HFSS軟件模擬的手段,在X 波段設(shè)計(jì)了一個(gè)三模重疊的三間隙耦合輸出腔,討論了群時(shí)延和間隙阻抗之間的相互關(guān)系,分析了群時(shí)延對(duì)間隙阻抗頻率特性的影響,找到了利用群時(shí)延控制間隙阻抗頻率特性的方法。通過(guò)對(duì)群時(shí)延特性的合理控制,獲得了總間隙阻抗隨頻率變化曲線具有良好的等波紋響應(yīng),通過(guò)重疊模協(xié)同工作,獲得了- 1dB輸出帶寬大于14.5 %良好結(jié)果。