翼片加載螺旋線慢波系統(tǒng)的特性測量與模擬

1、書第18卷第4期強激光與粒子束Vol.18No.42006年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr.2006文章編號:10014322(2006)04061805翼片加載螺旋線慢波系統(tǒng)的特性測量與模擬王莉12肖劉12王自成1(1.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所北京1000802.中國科學(xué)院研究生院北京100039)摘要:使用Agilent8510C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量了兩種不同翼片加載螺旋線慢波系統(tǒng)在2～18GHz

2、頻帶內(nèi)的色散和耦合阻抗。將被測系統(tǒng)等效為適當(dāng)?shù)奈⒉ňW(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)得到去除端口反射影響的慢波系統(tǒng)在微擾前后相位移變化的公式應(yīng)用該公式進行修正可以有效抑制實驗結(jié)果的波動。運用HFSS軟件對實驗中兩個被測的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)進行建?？紤]了高次空間諧波對耦合阻抗的影響結(jié)果表明色散和耦合阻抗的模擬與實驗值均有很好的一致性。關(guān)鍵詞:翼片加載螺旋線慢波系統(tǒng)耦合阻抗空間諧波中圖分類號:TN128文獻標(biāo)識碼:A行波管固有的寬頻帶、高功率和高效率特性使它在電子對抗及

3、微波通訊中擁有不可替代的地位[1]翼片加載的螺旋線行波管可以倍頻程工作因此得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究[2]。近些年來應(yīng)用于寬帶行波管高頻系統(tǒng)設(shè)計和研制的色散成形技術(shù)利用金屬翼片加載和各向同性或各向異性的介質(zhì)加載在不明顯降低耦合阻抗的前提下改善慢波系統(tǒng)在寬頻帶內(nèi)的色散特性提高了整管在寬頻帶內(nèi)的功率、增益及效率等性能。目前對翼片加載的螺旋線慢波系統(tǒng)的理論研究尚存缺陷例如通常采用角向無窮翼片的方法來等效處理使用螺旋導(dǎo)電面模型[3]或螺旋帶模

4、型[46]來計算慢波系統(tǒng)的色散及耦合阻抗等特性。慢波系統(tǒng)的色散和耦合阻抗是進行行波管注波互作用計算的重要輸入?yún)⒘?。?zhǔn)確測量或計算慢波系統(tǒng)的色散和耦合阻抗特性對設(shè)計和研制行波管具有重要意義。對螺旋線慢波系統(tǒng)色散特性的測試較早采用的是駐波法即將慢波系統(tǒng)的一端或兩端短路使其中形成駐波場利用駐波的相關(guān)特性確定其中傳播的電磁場相速度。耦合阻抗的測試較早采用諧振腔微擾法即將慢波系統(tǒng)兩端短路使其形成諧振腔在腔內(nèi)放入小擾動體形成微擾進行測量。Lager

5、strom在諧振微擾法的基礎(chǔ)上將諧振系統(tǒng)的耦合阻抗測試方法推廣到非諧振系統(tǒng)中應(yīng)用金屬絲或者介質(zhì)桿進行微擾來測量慢波系統(tǒng)的耦合阻抗。近些年來隨著電子技術(shù)的發(fā)展網(wǎng)絡(luò)分析儀在行波管制管及相關(guān)研究中發(fā)揮了重要作用。由于網(wǎng)絡(luò)分析儀能夠在掃頻狀態(tài)下對慢波系統(tǒng)內(nèi)的場進行測量因而利用它來測量慢波系統(tǒng)的色散和耦合阻抗可以顯著提高測量精度和測量速度。本文利用Agilent8510C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀加工和組裝了較為精密的實驗裝置對兩種不同翼片加載螺旋線慢波結(jié)構(gòu)

6、的色散和耦合阻抗特性進行了測量。色散特性的測量采用直接耦合慢波系統(tǒng)內(nèi)部場信號的方法通過步進測量探針耦合信號的相位值來得到慢波系統(tǒng)的相速度。耦合阻抗的測量采用非諧振微擾的方法并對非諧振系統(tǒng)耦合阻抗公式中ΔФ(金屬絲微擾前后慢波系統(tǒng)的相位移變化)的實驗結(jié)果進行修正去除了端口反射的影響有效抑制了實驗結(jié)果的波動。為了驗證本文實驗方法的有效性使用HFSS軟件進行了模擬模擬時考慮了高次諧波對耦合阻抗的影響模擬與實驗結(jié)果一致。1方法與分析非諧振微擾法

7、中的微擾體可以是介質(zhì)桿也可以是金屬絲它們的外徑必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于螺旋線的平均半徑[7]。本文在軟件模擬計算耦合阻抗時采用了介質(zhì)諧振微擾的方法[89]實驗中采用了金屬絲非諧振微擾的方法(具有一定長度和較高強度的介質(zhì)桿難于加工)。1.1金屬絲非諧振微擾法收稿日期:20050812修訂日期:20060221基金項目:國家自然科學(xué)基金資助課題(69901004)中國科學(xué)院支撐技術(shù)項目資助課題(42201030201)作者簡介:王莉(1979)女碩士研

8、究生現(xiàn)從事中功率微波管研究工作tulip＿21cn@sina.com。TA=detSASA21SA11SA21SA22SA211SA└L┐┘21TB=detSBSB21SB11SB21SB22SB211SB└L┐┘21TC=ejΔФ00ejΔ[]Ф(5)對于圖1(a)所示的級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)其傳輸矩陣為Ta則Ta=TATB=x1y1x2y2x3y3x4y[]4=Ta11Ta12Ta21Ta[]22(6)式中:x1=detSAdetSBSA21S

9、B21x2=SB11detSASA21SB21x3=SA22detSBSA21SB21x4=SA22SB11SA21SB21y1=SA11SB22SA21SB21y2=SA11SA21SB21y3=SB22SA21SB21y4=1SA21SB21。對于圖1(b)所示的級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)其傳輸矩陣為Tb則Tb=TATCTB=x1ejΔФy1ejΔФx2ejΔФy2ejΔФx3ejΔФy3ejΔФx4ejΔФy4ejΔ[]Ф=Tb11Tb12Tb2

10、1Tb[]22(7)令K1=Ta11Tb22Ta12Tb21K2=Tb11Ta22Tb12Ta21(8)則K1=[(x1y1)(x4y4)(x2y2)(x3y3)]ejΔФ[y4(x1y1)y3(x2y2)](ejΔФejΔФ)(9a)K2=[(x1y1)(x4y4)(x2y2)(x3y3)]ejΔФ[y1(x4y4)y2(x3y3)](ejΔФejΔФ)(9b)由互易網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)T11T22T12T21=1可知對于圖1(a)所示的互易網(wǎng)

11、絡(luò)Ta11Ta22Ta12Ta21=1即(x1y1)(x4y4)(x2y2)(x3y3)=1(10)則K1K2=2ejΔФ(x1y4x2y3x3y2x4y1)(ejΔФejΔФ)=2ejΔФ1(ejΔФejΔФ)=2cosΔФ(11)從而ΔФ=arccos[(K1K2)2](12)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別測量金屬微擾絲加入前后的散射參量由(4)式計算出相應(yīng)的傳輸參量再由(8)式計算出K1和K2最后由(12)式計算出去除端口反射影響的慢波系

12、統(tǒng)相位移變化ΔФ。2實驗和模擬的結(jié)果與分析Fig.3Crosssectionsofvaneloadedhelicalslowwavestructures圖3翼片加載螺旋慢波結(jié)構(gòu)橫截面示意圖本文對兩種翼片加載螺旋線慢波結(jié)構(gòu)進行了測試圖3和表1(表中p為螺旋線的螺距)分別為橫截面示意圖和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。相位移變化ΔФ的實驗結(jié)果和修正后的結(jié)果如圖4所示。由圖可見實驗測量得到的ΔФ(修正前)曲線在全頻帶內(nèi)存在波動這種波動在低頻段內(nèi)尤為嚴(yán)重利用(

13、12)式對實驗數(shù)據(jù)進行修正后波動明顯減小曲線變得較為光滑。由ΔФ的實驗結(jié)果和修正結(jié)果得到的耦合阻抗如圖5所示。利用修正后的ΔФ進行計算得到的耦合阻抗曲線較為平滑與后面的軟件模擬結(jié)果一致。表1圖3所示的兩種慢波結(jié)構(gòu)尺寸Table1SizesofhelicalslowwavestructuresshowninFig.3(a)ba=2.387ca=1.748sa=1.399ta=0.699pa=0.797(b)ba=2.434wa=2.098