w波段階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)行波管的研究

1、第卷第期紅外與毫米波學(xué)報(bào)Vol.nnNo.n200年月JournalofInfraredMillimeterWavesJune200NW波段階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)行波管的研究波段階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)行波管的研究王海龍12，石先寶3，王戰(zhàn)亮1，宮玉彬1(1.電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都市610054；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都市610000；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東省青島市266555)摘要

2、:為了提高傳統(tǒng)交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)行波管的性能，本文提出了一種階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)，并基于此新型慢波結(jié)構(gòu)，提出了新型輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一只工作在W波段的帶狀電子注階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)行波管。計(jì)算結(jié)果顯示，階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)行波管的耦合阻抗更高，從而使行波管在更短的互作用電路長(zhǎng)度里，實(shí)現(xiàn)更高的飽和增益和互作用效率。在90GHz~100GHz頻率范圍內(nèi)，階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗大于4Ω，高于傳統(tǒng)交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)

3、；W波段帶狀電子注行波管高頻結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)（S11）小于15dB；并且行波管的飽和輸入功率僅約為0.7W，可以實(shí)現(xiàn)最高輸出功率約800W，相應(yīng)的效率大于7.8%，增益大于30.6dB。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)，帶狀電子注行波管，低飽和輸入功率，高飽和增益中圖分類號(hào)中圖分類號(hào):O46文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AResearchonWBSteptypeStaggeredDoubleVaneSlowWaveStructureTrave

4、lingWaveTubeWANGHaiLong12SHIXianBao3WANGZhanLiang1GONGYuBin1(1.SchoolofElectronicScienceEngineeringUniversityofElectronicScienceTechnologyofChinaChengdu610054China2.The29thinstituteofCETCChengdu610000China3.The41thinstit

5、uteofCETCQingdao266555China)Abstract:Indertoimprovetheperfmanceoftraditionalstaggereddoublevane(SDV)travelingwavetube(TWT)anewkindofsteptypestaggereddoublevane(SSDV)slowwavestructure(SWS)isproposedanewtypeofinputoutputco

6、uplingstructureisdesignedbasedonthisnovelSWS.MeoveraWbsheetelectronbeamSSDVSWSTWTisdesignedinthiswk.ThecalculationresultsshowthattheSSDVSWSTWThasahigherinteractionimpedancesothatitcanachieveahighersaturatedgainhigherinte

7、ractionefficiencyinalessinteractioncircuitlength.Inthefrequencyrangeof90GHz~100GHztheinteractionimpedanceofSSDVSWSisgreaterthan4ΩwhichishigherthanthetraditionalSDVSWS.Thereflectratio(S11)ofhighfrequencystructureofWbsheet

8、electronbeamTWTislessthan15dB.Meoverthesaturatedinputpowerofthetravelingwavetubeisonlyabout0.7Wthemaximumoutputpowercanbeabout800Wthecrespondingefficiencyismethan7.8%thegainismethan30.6dB.Keywds:Steptypestaggereddoubleva

9、neslowwavestructureSheetelectronbeamtravelingwavetubelowsaturationinputpowerhighsaturationgainPACS:04.30.Nk85.45.Bz84.40.Fe引言因交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工難度低，全金屬結(jié)構(gòu)、功率容量大，有天然的帶狀電子注通道、能夠輸入更高的直流驅(qū)動(dòng)功率等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛關(guān)注[15]。2015年，電子科技大學(xué)利用交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)研

10、制了一只新型可調(diào)諧小型化PCM聚焦的交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)帶狀注行波管，并在試驗(yàn)中驗(yàn)證了PCM聚焦系統(tǒng)的可行性，為帶狀電子注行波管的發(fā)展奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)[2]。2012年，電子科技大學(xué)利用此慢波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩只工作在W波段的行波管，其中圓形電子注行波管工作在95GHz時(shí)，有最大平均輸出功率，約為144.5W，效率約2.8%[5]；帶狀電子注行波管工作在93GHz時(shí)，有最大平均輸出功率，約為625.5W，效率約6%[4]。2015年，北京航空

11、航天大學(xué)設(shè)計(jì)了一只W波段多注交錯(cuò)雙柵行波管，當(dāng)工作在第卷第期紅外與毫米波學(xué)報(bào)Vol.nnNo.n200年月JournalofInfraredMillimeterWavesJune200N諧波的總功率流，βn為第n次諧波的相位常數(shù)，Ezn是慢波結(jié)構(gòu)中電子注所在位置第n次空間諧波的縱向電場(chǎng)幅值。為了對(duì)兩種慢波結(jié)構(gòu)的色散特性做詳細(xì)的對(duì)比研究，本文設(shè)計(jì)了工作在W波段的慢波結(jié)構(gòu)。并且為了讓對(duì)比分析結(jié)果有效，在盡量保證大部分尺寸相同的前提下，使兩種

12、W波段慢波結(jié)構(gòu)的工作帶寬基本相同。經(jīng)優(yōu)化后，兩種結(jié)構(gòu)的尺寸如下表1所示。表1兩種慢波結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)比表Table1.StructuralparametersofthetwokindsofSWS參數(shù)參數(shù)階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)w1.80mm1.80mmp1.07mm1.07mmg0.27mm0.27mm2t0.35mm0.35mmh0.66mm0.80mm由表1數(shù)據(jù)可知，兩種慢波結(jié)構(gòu)

13、的尺寸除了柵的高度h不同之外，其余的尺寸均相同?；谏媳碇械某叽鐓?shù)，我們對(duì)兩種慢波結(jié)構(gòu)的色散特性和耦合阻抗進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下圖3所示。（a）色散特性（b）歸一化相速及耦合阻抗特性圖3W波段兩種慢波結(jié)構(gòu)色散特性和耦合阻抗對(duì)比圖Fig.3ThedispersionacteristicstheinteractionimpedancefthetwokindsofSWSwkinginWb由圖3（a）可知，兩種慢波結(jié)構(gòu)都工作在W波段時(shí)，均工作在1

14、次空間諧波。由于行波管工作時(shí)，電子注要與電磁波同步，由圖可知，兩種慢波結(jié)構(gòu)的工作帶寬基本相同（90GHz~100GHz）。在圖3（b）所示的兩種W波段慢波結(jié)構(gòu)色散特性對(duì)比圖中，兩條黑色曲線代表W波段階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)的歸一化相速及耦合阻抗；紅色曲線表示W(wǎng)波段傳統(tǒng)交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)的歸一化相速及耦合阻抗。由圖可知，兩種慢波結(jié)構(gòu)的歸一化相速平坦，這意味著兩種慢波結(jié)構(gòu)都有較寬的工作帶寬（90GHz100GHz）。但是，階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)

15、的歸一化相速較常規(guī)結(jié)構(gòu)而言偏小，這意味著階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)行波管的最佳工作電壓更低。同時(shí)，由圖可知，整個(gè)頻帶內(nèi)階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗要比傳統(tǒng)慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗高大于0.5Ω（約15%），這意味著階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)行波管的互作用效率更高。2W波段階梯型交錯(cuò)雙柵慢波結(jié)構(gòu)行波管的傳輸特性為了能夠讓微波信號(hào)順利輸入慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)部，和電子注進(jìn)行有效互作用，經(jīng)過注波互作用后，被放大的微波信號(hào)又能順利輸出，本文提出了一種適合于階梯型交