脊加载同轴径结构设计论文范文

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1模拟仿真理论

1.1色散特性慢波结构中行波纵向传播的相速pv和频率f的关系称为色散特性。利用电磁仿真软件HFSS提供的周期边界条件，指定一个周期内的基波相移φ，通过本征模求解器计算出谐振频率，取最小本征值f对应于最低传播模式。式中：0β是最低传播模式的第零次空间谐波(即基波)的相位传播常数；nβ是最低传播模式第n次空间谐波的相位传播常数；pv是最低模式的第零次空间谐波的相速；φ是相移常数；ω是角频率；L是慢波结构单位周期长度。改变指定的相移φ数值，就可以得到一组对应的pv与f的色散关系曲线。

1.2耦合阻抗耦合阻抗反映的是电子注和电磁波相互作用的能力，耦合阻抗越高，慢波系统与电子注之间的能量交换越有效，因此，行波管的增益就更高，效率就更大。根据皮尔斯的理论，慢波结构中第n次空间谐波的耦合阻抗可定义为。式中：znE是第n次空间谐波的纵向电场幅值；P为波导系统中电磁波的总功率。对于脊加载同轴径向线慢波结构而言，一般是基波成分与电子注速度同步并发生有效能量交换，所以通常只考虑基波的耦合阻抗0K，利用HFSS软件中的场计算器，通过上述定义式可以计算出慢波结构的耦合阻抗。

2模拟与分析

电磁场仿真软件HFSS提供了准周期边界条件设置的方法，因此只需要对一个周期进行建模分析，利用软件提供的本征模求解器，能方便地求出慢波结构的色散特性和耦合阻抗。图3和图4分别给出了不同内径ra对色散特性和耦合阻抗的影响，结构参数rb=1.8mm，rc=2.5mm，rd=2.7mm，L=0.8mm，w=0.1mm，S=0.02mm，k=0.6mm。可以看出随着半径的增加，色散曲线变得平坦，器件带宽增加，相速也增加。在图3中可以看到当ra为1.1mm时，结构的归一化相速pv/c在0.25附近，而当ra增大到1.5mm时，归一化相速在0.315附近，所以减小内径的大小有助于降低慢波结构的相速，用作行波管时可以降低工作电压。从图4可以看出耦合阻抗随着内导体半径的减小而增大，这说明耦合阻抗的提高是以增加系统的色散为代价的，因此在设计慢波结构时应当选择合适的尺寸使得器件既有较好的色散曲线，又有较大的耦合阻抗。图5和图6分别给出了不同周期长度L对色散特性和耦合阻抗的影响，结构参数除取ra=1.5mm外,其余参数与图3和图4相同。可以看出随着周期L的增加，相速增加，色散曲线平行上升，另外随着周期L的增加，耦合阻抗也得到了提高。减小单位周期长度可以在保持色散曲线平坦的情况下有效地降低相速，因此带宽允许的情况下可以适当地调整慢波结构单位周期的长度，从而提高电子注与电场的互作用效率。图7和图8分别给出了不同加载脊棱宽度S对色散特性和耦合阻抗的影响，结构参数ra=1.5mm，rb=1.8mm，rc=2.5mm，rd=2.7mm，L=0.8mm，w=0.1mm，k=0.6mm。可以看出随着加载脊棱宽度S的增加，器件的相速得到了降低，但是降低的幅度不明显。耦合阻抗随着加载脊棱宽度的增加得到了显著的提高。当S=0时，脊加载同轴径向线慢波结构就退化成了同轴径向线，其耦合阻抗如图7中的曲线A所示，当S=0.04时，其耦合阻抗如图7中的曲线C所示。可以看出：在交错圆盘的中心加载上脊棱后，慢波结构的耦合阻抗得到了提高，并且耦合阻抗随着脊棱的宽度S的增加而增加。因此，在同轴径向线上加载上脊棱后，慢波结构的色散特性没有明显的变化，而耦合阻抗却得到了提高，这可以在保证行波管工作带宽的情况下提高整管的增益。图9和图10分别给出了不同加载脊棱长度k对色散特性和耦合阻抗的影响，结构参数除取S=0.02mm外，其余参数与图7和图8所取的值相同。从图中可以看出，当k减小时，慢波结构相速有所提高，耦合阻抗也有所增加，但是相速和耦合阻抗的变化都不明显，所以脊棱的长度k对慢波结构的高频特性的影响不明显，在对慢波结构进行设计时，对加载脊棱的长度可以不用过多地考虑。

3结论

本文提出了一种脊加载同轴径向线慢波结构，并对它的高频特性进行了研究，分析了不同内径、不同周期长度、不同脊加载宽度和长度对色散特性及耦合阻抗的影响。结果表明：改变内径大小和周期长度对结构的色散特性影响较大，随着内径的减小和周期长度的增加，结构的耦合阻抗得到提高；脊加载宽度的增加可以明显提高慢波结构的耦合阻抗，且色散特性变化较小；加脊的长度的变化对色散特性和耦合阻抗都没有明显的影响。由于这种结构的边界条件比较复杂，采用严格的电磁场理论分析会遇到困难，还需要进一步深入研究。

作者：王兵文光俊王文祥单位：电子科技大学 通信与信息工程学院物理电子学院