一种超宽带双信道速调管输出回路的设计和实验

2014-05-30张志强罗积润张兆传

电子与信息学报 2014年5期

张志强罗积润张兆传

张志强*罗积润张兆传

(中国科学院电子学研究所北京100190)(中国科学院高功率微波源与技术重点实验室北京100190)

该文介绍了一种超宽带双信道速调管输出回路的设计思路和实现过程。以Ansoft HFSS软件为设计平台，在S波段设计出一个带宽超过550 MHz的超宽带双信道双间隙耦合腔输出回路。设计了信道转换机构，并分别确定了两个信道的谐振腔参数。得出了不改变两个谐振腔参数，只需调节耦合槽的尺寸就能够实现信道转换的结论。通过对HFSS软件建立的模型进行计算，得到了双间隙耦合腔输出回路中各模式的频率，与冷测结果基本一致。利用集中元件等效电路法计算了双间隙耦合腔输出回路的间隙阻抗，计算结果与冷测结果基本一致。

速调管；超宽带双信道输出回路；双间隙耦合腔；信道转换；耦合间隙阻抗

1 引言

近年来，大功率宽带速调管在国土防空情报雷达中的应用日益广泛，随着反辐射导弹等反雷达技术的不断提升，国土防空情报雷达要求速调管能够在不降低其它战术指标的前提下尽可能地提供更宽的频带宽度，以满足雷达捷变频的需要，在电子对抗中占据优势地位。与行波管等电真空器件相比，速调管是一种窄带器件，具有其它器件无法比拟的功率量级，最高峰值功率可达百兆瓦级[1]，因此在雷达中得到广泛应用。国内外各研究机构都希望能够尽可能地展宽速调管的带宽，以满足雷达进行电子对抗的需要。目前，宽带速调管已经在国内外很多军事装备上得到了应用。在国外，美国CPI公司研制生产的分布作用速调管VKS-8347代表了世界宽带速调管的领先水平，其峰值功率为1.25 MW，平均功率为50 kW，带宽达到12%。在国内，中国科学院电子学研究所的两种型号用于国土防空雷达的宽带大功率速调管分别在700 kW和800 kW的功率电平下达到了大于10%的带宽。

2 输出回路的设计和计算

本设计采用双间隙耦合腔输出回路作为基本单元，利用其耦合机构的变化实现两个信道间的转换，从而实现超宽带的目标。所设计的总频率范围为：2.80~3.35 GHz，带宽550 MHz，分为两个部分。第1部分频带为2.8~3.1GHz，带宽为300 MHz，第2部分为3.05~3.35 GHz，带宽为300 MHz。这两个部分的带宽有50 MHz的重叠，因此实现的总带宽为550 MHz。

2.1 双间隙耦合腔输出回路的基本理论

双间隙耦合腔输出回路等效为图3所示的分布参数等效电路，由此电路可以推导出双间隙耦合腔输出回路中存在的3个模式及各模式对应的频率。

(2)

图1 双间隙输出回路

图2 耦合机构

图3 双间隙耦合腔输出回路的等效电路

图4 双间隙耦合腔输出回路各模式间的关系

因此只要设计出一个合适的转换机构，研制带宽达到550 MHz的超宽带双信道双间隙耦合腔输出回路是可行的。

2.2 双信道输出回路的计算

利用Ansoft HFSS 软件可分别计算分析出短槽和长槽状态下的输出回路分别存在哪些模式。所用的方法是：将图1所示的双间隙耦合腔输出回路视为单端口网络进行分析，先计算出波导端口处的反射系数11，再对11的相位进行微分，得到该单端口网络的群时延曲线，对群时延曲线进行分析，曲线的峰值处，也就是相位变化剧烈的位置即为所要得到的频率。这种方法称为反射系数相位分析法。

图5 短耦合槽模型

图6 长耦合槽模型

2.2.3间隙阻抗的计算根据文献[10]的推导结果，可依据图3的等效电路，按式(7)，式(8)，式(9)编程计算短槽耦合和长槽耦合的间隙阻抗分布参量。11和11分别为第1间隙阻抗的实部和虚部；22和22分别为第2间隙阻抗的实部和虚部。12和12分别为两个间隙互阻抗的实部和虚部。

式(7)~式(9)中

图7 短槽耦合时各模式S11的相位曲线

图8 短槽(112°)耦合时的群时延曲线

图9 长槽(196°)耦合时的群时延曲线

图10 频带第1部分(短槽耦合)间隙阻抗

图11 频带第2部分(长槽耦合)间隙阻抗

2.3 双信道输出回路的设计

要用一个耦合机构实现两个信道，必须要设计一个能够实现两种不同角度耦合槽的转换机构。本次设计的转换机构由图12所示的耦合板和图13所示的两片滑块组成，耦合板和两片滑块组合在一起后，滑块可在耦合板上沿耦合槽自由滑动，以控制耦合槽的开槽角度。图14和图15所示是根据计算结果，通过控制滑块实现的短槽(112°)状态和长槽(196°)状态。

3 实验及结果分析

将反射系数相位法计算分析得到的模式频率、计算间隙阻抗时得到的模式频率与冷测结果分析得到的各模式频率汇总列表(表1)进行比较，可清晰看到，无论短槽耦合还是长槽耦合，从3个不同分析途径获得的各模式频率很相近，取得了较好的一致性，同时也证明了设计的合理性。

图12 耦合板结构图

图13 滑块结构图

图14 短槽状态

图15 长槽状态

图16 短槽耦合时的间隙阻抗冷测曲线

图17长槽耦合时的间隙阻抗冷测曲线

表1反射系数相位计算、间隙阻抗计算及冷测结果得到的各模式频率对比(GHz)

各模式频率获得途径短槽耦合长槽耦合模模模模反射系数相位法计算2.863.033.063.32 间隙阻抗计算2.853.063.093.33 冷测结果2.853.053.113.31

4 结束语

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张志强：男，1975年生，高级工程师，研究方向为物理电子学.

罗积润：男，1957年生，研究员，博士生导师，研究方向为物理电子学.

张兆传：男，1965年生，研究员，博士生导师，研究方向为物理电子学.

Design and Experiment of a Super-wide Band Output Circuit with Two Channels for Klystron Applications

Zhang Zhi-qiang Luo Ji-run Zhang Zhao-chuan

(,,100190,)(,,100190,)

The design ideas and performance process of a super-wide band and two channels output circuit on a klystron are presented. A super-wide band two-channel double-gap coupled-cavity output circuit, whose bandwidth is over 550 MHz, is designed at S band by Ansoft HFSS. A channel switch structure is designed, and the resonance parameters of the two channels are determined. Then, a conclusion is made that channels can be switched easily through tuning the coupled-slot without changing the parameters of the two cavities. The frequencies of each mode in the double-gap coupled-cavity output circuit are simulated through calculating the model by Ansoft HFSS. The frequencies of each mode accord with the “cold test” mainly. The gap impedance of double-gap coupled-cavity, which is simulated byanalysis of equivalent lumped element circuit, also accords with the “cold test” very well.

Klystron; Super-wide band and two-channel output circuit; Double-gap coupled-cavity; Channel switch; Impedance of coupled-cavity gap

TN122

1009-5896(2014)05-1247-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01059

张志强 zqzhang@mail.ie.ac.cn

2013-07-19收到，2013-11-08改回