Ka 波段耦合腔行波管注波互作用分析

2013-06-10苏小刚

中国电子科学研究院学报 2013年1期

王娟，吴刚，苏小刚

(北京真空电子技术研究所，北京 100015)

0 引言

耦合腔行波管具有较高峰值功率、适度带宽和良好的散热能力等特点，在雷达、通信、遥感遥测等军用和民用领域有着极为广阔的应用前景。其带宽和功率介于速调管和螺旋线行波管之间，近年来逐步向更高的频率和小型化方向发展［1］。国内目前已研制出峰值功率300 W 和500 W 的弹载毫米波耦合腔行波管。以研制的Ka 波段300 W 耦合腔行波管为例，借助计算机辅助工具，对其高频结构的冷特性、注波互作用进行分析，并结合实际测试情况，对比实际热测数据与仿真结果。

1 耦合腔冷特性研究

行波管大信号分析首先需要计算慢波系统的色散特性和耦合阻抗，其分析方法一般有等效线路法和场分析方法［2～5］。采用MWS 仿真软件，对耦合腔行波管的冷特性进行仿真，其高频系统采用休斯型慢波结构。MWS 计算软件是基于有限积分方法的全三维电磁场数值分析软件，在给定的边界和初始条件下，通过对Maxwell 方程组离散化后直接求解，可以准确模拟各种复杂的慢波结构，具有较高的精度，与实际结果吻合度高，计算得到的结果作为大信号计算程序的输入条件。

1.1 色散特性

色散特性主要取决于慢波系统的结构形状和尺寸，可决定行波管的工作电压和工作频带。利用软件中本征模求解器，对耦合腔慢波结构的色散特性进行仿真。频率与相光速比的关系曲线，如图1 所示，计算出耦合腔冷带宽的上、下限频率分别为Fc=39.512 GHz 和Fπ=31.628 GHz，满足整管频带要求。

图1 频率与相光速比关系曲线

1.2 耦合阻抗

在计算得到慢波结构的色散特性后，利用软件后处理模块进一步得到慢波结构的耦合阻抗。在准周期边界条件下，计算的场为行波场，可以直接利用计算所得到的行波电场和磁场来计算坡印亭矢量，进而在后处理模块中利用面积分求出Prf

在准周期的条件下，第n 次空间谐波电场幅值Ezn可以直接通过后处理模块中的线积分求得

式中，Ezr(z)和Ezi(z)分别为轴线上轴向电场实部和虚部。

当慢波结构中场分布求得后，将Ezn和Prf代入式(3)，便得到耦合阻抗

工作频带内的耦合阻抗的模拟曲线，如图2 所示。同时慢波结构的设计过程中，不能单纯的增加带宽，或提高耦合阻抗，需兼顾等激励带宽、功率、增益和电子效率等方面的要求，寻求最佳设计方案。

图2 频率与耦合阻抗关系曲线

2 注波互作用分析

行波管冷特性确定之后，利用设计参数可借助大信号程序调试整管性能。在特定的带宽内保证功率、增益等参数达到用户要求，且尽可能变化平缓，在行波管达到最高效率的同时给出能使用户满意的等激励性能。整管慢波线的设计分为两段，在切断附近设置匹配腔和衰减器，采用渐进分布的衰减器配置，设置主衰减、副衰减，保证冷测时在整个工作频带内可以得到平坦且符合要求的匹配特性，并有效地抑制行波管的振荡问题。

耦合腔注波互作用的分析采用一维大信号计算程序，该程序基于Curnow 等效线路模型的非线性理论，模拟电子注与电磁波非线性相互作用过程。同步电压和等激励输入功率的选择要尽量使工作频带内的功率波动最小。通过对电子注电压和输入功率进行扫描，如图3、4 所示，找到平衡频带低端和高端的最佳参数，并尽量使频带内的功率变化平坦。根据计算，确定同步电压为14.6 kV，等激励输入功率为368 mW。

设定同步电压和等激励输入功率后，对11 个工作频率点进行分析，轴向位置变化时，输出功率、增益和效率随轴向的变化曲线，如图5 ～7 所示。由图可得，在工作频率范围内，可以获得输出功率在375 W 和441 W之间，增益大于30 dB，效率大于12%的较佳结果。

3 Ka 波段行波管测试数据与仿真结果对比情况

现以中国电科12 所研制的2011-26JHJ 管的测试参数为例，对测试数据与仿真结果进行对比，该管静态测试数据，见表1。各频率点对应的输出功率、增益、效率的测试曲线，如图8 ～10 所示，与上面大信号软件仿真结果进行对比。由图可见，实际样管在工作频带内输出功率在345 W 和408 W 之间，增益大于30 dB，互作用效率大于10%，两者数据较为接近。