S波段大功率宽带速调管输出窗鬼模振荡的抑制

张志强 罗积润 张兆传



S波段大功率宽带速调管输出窗鬼模振荡的抑制

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)

实验发现，当盒型输出窗圆波导与两端矩形波导的中心轴线出现偏离时，在高频状态下，输出窗存在鬼模振荡的隐患，引起输出窗打火，导致窗片炸裂。该文介绍了一种S波段大功率宽带速调管输出窗鬼模振荡抑制的方法。通过模拟仿真分析和实验研究，调整了输出窗圆波导段的结构，在对带内驻波系数影响较小的条件下，成功地消除了鬼模振荡的隐患，确保即使出现波导轻微不对称的情况，也不会发生因鬼模振荡而引起的输出窗打火现象。

速调管；输出窗；鬼模振荡；抑制

1 引言

圆柱盒型输出窗中是否有鬼模存在与实际装配过程紧密相关。文献[6]介绍了圆柱盒型输出窗因其结构包含不同几何形状金属所构成的复杂边界，一旦装配过程中出现不对称情况，就会引起除基模TE11之外的其它共生模式，引起鬼模振荡的情况。文献[7,8]也介绍了由于复杂边界条件来回发生变化，在窗结构内激发起高次干扰模式的情况。这些研究工作均对鬼模产生的机理进行了充分详细的分析，但要在实际工程实践中避免出现鬼模振荡，还要研究以下两方面工作：一是如何在模拟仿真过程中发现鬼模；二是如何确保在实际装配过程即使出现轻微不对称时也不会出现鬼模振荡。为了研究这两方面的工作，本文在输出窗模拟仿真过程中故意引入了不对称性，全面分析了不同不对称条件下，鬼模场的变化情况和对输出窗的影响，从而指导实践，在实践中找到了即使出现轻微不对称也能避免高次模式振荡的方法。

2 输出窗鬼模振荡的现象和分析计算

2.1 鬼模振荡的现象

本文介绍的鬼模振荡现象发生在一种S波段大功率宽带速调管的高频测试过程中[9,10]。在实验过程中发现，当工作频率处在频带内第14个频率点f14时(每隔10 MHz为一个频率监测点，全频带共31个频率点)，从输出波导处传来清脆的打火声音，从间断到连续，随后是一声炸响，钛泵电流瞬间增大，电源调制器自动切断高压，速调管灯丝伏安特性异常，打开波导观察发现，在输出窗片上有一条从上到下的裂缝，输出窗已经炸裂。图1所示为典型大功率输出窗结构。

2.2 鬼模振荡的分析和计算

对于传输高功率微波的输出窗而言，关键问题是它的热承受能力。传输波通过介质窗片时引起的高频电极化损耗、鬼模振荡、高能电子或粒子轰击和二次电子倍增效应、焊接缝和焊料损耗以及工艺上造成的种种不匹配等是热的主要来源[11,12]。

鬼模振荡引起的输出窗的损坏是鬼模场在传输波中获取能量后在介质和金属内壁上产生热的堆积而形成。当输出窗的结构精确对称时，不会形成鬼模振荡，因为矩形TE10模传输波没有平行于向的电场分量，但由于难以避免的公差，实际加工出来的微波窗不可能有精确的对称结构，于是鬼模就有可能从传输波中获得能量，形成振荡。另外，窗的直径起着致关重要的作用。如果窗的直径太小，对传输高功率不利，而且随着直径的减小介质窗片也将变薄以保证良好的传输特性，这样不仅会给制作工艺带来困难，容易导致窗片电击穿，同时容易因机械振动而断裂；但如果窗的直径过大，则高次模式容易变为可传输[13]。

利用Ansoft HFSS电磁计算软件对上述炸裂的输出窗进行了计算(计算模型如图2所示，参数如表1所示)。输出波导与圆波导的位置关系如图3所示。在输出波导与圆波导连接精确对称时(=0)，输出窗内并未发现鬼模的迹象。图4所示为精确对称条件下的输出窗驻波系数(VSWR)和表面电场，从图中可以看出全频带内驻波系数均在1.03以下；在陶瓷介质表面均为平行于表面的电场，且对称分布于窗片中心的左右两侧，两侧电场强度随离中心的距离逐渐减弱，这种电场分布类似于圆波导中的TE11模，是工作模式。因此在精确对称的条件下，在输出窗的圆波导内靠近窗片处只单纯存在TE11模，而无其它高次模式存在。

图1 典型大功率输出窗结构

表1 Ansoft HFSS计算输出窗所需参数

图 2 Ansoft HFSS计算仿真输出窗模型

图 3 输出波导与圆波导的位置关系

图4 精确对称条件下的输出窗驻波系数和表面电场

但在实际操作中，绝对的精确对称是不可能的，经过对两边波导不是绝对精确对称的情况的模拟仿真发现，当一边波导延的正方向错位0.1 mm (=0.1 mm)时，虽然驻波系数(图5(a))没有太大变化，但从输出窗表面电场分布(图5(b))可以看出，陶瓷介质表面不再只有平行于表面的电场，而是产生了垂直于表面的电场分量，这种纵向电场分布与圆波导中TM11模相似，是高次模式，此时在输出窗内同时存在TE11模和TM11模，高次模的最大电场强度为4354.3 V/m，这种不对称就产生了可能引起窗内振荡的TM11模，即为导致窗炸裂的鬼模。

如果继续扩大波导的不对称性，当一边波导延的正方向错位0.2 mm(=0.2 mm)时，就会发现，此时无论是驻波系数还是陶瓷介质的表面电场都产生了较大的变化。由图6(a)可以看到，在频率为2.882 GHz(f14+2 MHz)处，驻波系数产生了异常，最大驻波系数达到了1.3669，明显高于带内其它频率点，此时，带内其它频率点的驻波系数均在1.05以下。再看图6(b)，陶瓷介质表面的电场几乎完全垂直于介质表面，最大电场强度为12021 V/m，这样的不对称性造成的鬼模更明显，更容易在实验中产生打火的现象。

依此类推，继续扩大波导的不对称性，则产生了更强的垂直于介质表面的电场，TM11模的强度继续加强。将精确对称和不同程度的不对称列表对比(表2)，可以得出，当精确对称时，输出窗内只存在TE11模式，电场方向平行于介质表面，驻波系数无异常；当波导出现较细微的不对称性时，输出窗内同时存在TE11模式和TM11模式，电场出现垂直于介质表面方向的分量，某个频率点的驻波系数出现异常；随着不对称性的逐渐扩大，TM11模式逐渐占据主导地位，其电场强度逐渐增强，出现异常频率点的驻波系数继续增加。

由于TM11模式对于矩形波导是截止的，其谐振频率取决于输出窗圆波导和窗片尺寸。可以通过改变圆波导和窗片尺寸将该模式的谐振频率移出工作频带。针对上述模拟仿真分析结果，考虑到输出窗的圆波导直径可以影响高次模式存在，因此我们尝试改变窗的直径，在确保带内驻波系数满足需求的同时，期待通过这样的改变，即使在实际操作中出现细微的不对称性，也可以确保出现的高次模式TM11落在频带之外或者带内不出现这样的高次模式。经过优化仿真，最终决定将盒型窗框两端加工成“喇叭形”，以达到增加窗框体积的目的(如图7所示)。具体计算参数见表3。

表2 不同对称程度情况对比

表3 Ansoft HFSS计算改进型输出窗参数

图5 波导错位0.1 mm时的输出窗驻波系数和表面电场

图6 波导错位0.2 mm时的输出窗驻波系数和表面电场

图7 窗框改进前后的计算模型

图8(a)、图8(b)、图9(a)、图9(b)、图10(a)及图10(b)分别为改进型输出窗在波导精确对称和各种非对称条件下计算得到的驻波系数和介质表面电场分布情况。表4为计算的改进型输出窗不同不对称程度情况对比。由图8-图10和表4可以看出，虽然改进型窗在精确对称时的带内驻波系数较改进前有所变差(频带最高端驻波系数为1.11)，但改进型窗在不对称出现的前两种情况(=0.1 mm和=0.2 mm)均不存在高次模式，因此决定选用此方案作为实际制管的改进方案。

表4 计算的改进型输出窗不同对称程度情况对比

图8 改进型输出窗精确对称条件下的驻波系数和表面电场

图9 改进型输出窗波导错位0.1 mm时的驻波系数和表面电场

图10 改进型输出窗波导错位0.2 mm时的驻波系数和表面电场

表5 改进前1#窗驻波系数测试结果

表6 改进前2#窗驻波系数测试结果

3 实验及结果分析

本文对两个改进前的输出窗进行扫频测试发现，每个输出窗的扫频波形在频率f14± 5 MHz范围内的某一频率点都存在较大的尖峰。在测量线上以1 MHz为间隔逐点进行测试，发现每只窗在f14±5 MHz范围内都有一个频率点的驻波系数较大，超出了我们所要求的驻波系数小于1.1的范围。以下是所测得的两个窗的驻波系数(表5和表6)。

对窗的结构尺寸进行适当调整，由原来的筒形结构(图11)调整为现在的中间为筒形，两端为“喇叭口”的锥筒形(图12)，在对频带内驻波系数影响较小的情况下，提高了因波导不对称性而导致鬼模产生的门限，在不对称性<0.2 mm的情况下，也不会产生高次模式振荡，解决了输出窗的打火问题和窗炸裂的问题。表7为改进后的新窗测试的结果。

图11 改进前的窗结构图

图12 改进后的窗结构图

4 结束语

本文描述了在速调管研制[14,15]过程中出现的大功率输出窗鬼模振荡的现象，分析了产生打火的原因。利用Ansoft HFSS电磁计算软件分别计算了两端波导精确对称和不同程度偏离条件下，输出窗圆波导内存在的可能谐振模式、输出窗的驻波系数以及输出窗陶瓷介质表面电场分布情况。仿真分析发现，当该输出窗两边波导精确对称时，输出窗圆波导内不产生电场垂直于陶瓷介质的TM11高次模式，窗的驻波系数也不会发生变化。当该输出窗两边波导不精确对称时，输出窗圆波导内会产生电场垂直于陶瓷介质的TM11高次模式，不对称程度不同，电场强度也不同。依据分析结果判定该输出窗的打火问题是由于输出窗装配过程中发生了波导的不对称造成的。通过进一步仿真分析表明，如果改变输出窗圆波导结构，将筒形圆波导改为中间圆筒两端喇叭型，可以在不影响驻波系数的条件下，将TM11高次模式移出频带，确保即使发生了轻微不对称也不会产生打火现象。依据仿真优化的结果加工了冷测模型，通过测试验证了上述仿真和分析的正确性。在新结构窗的速调管测试中，频带内再未出现打火和输出窗炸裂的现象。另外需要说明的是，改进后的窗在全频段内驻波比相对改进前要大一些，但这仍在我们要求的范围之内，并不影响速调管的输出特性。

表7 改进后的新窗测试的结果

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Suppression of Ghost Mode Oscillation in S Band High Power Broadband Klystron

ZHANG Zhiqiang LUO Jirun ZHANG Zhaochuan

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

It is found by the experiment that the ghost mode oscillation appears in an output window when the centric axes of two section rectangular waveguides and a cylindrical waveguide in the middle are not on the same line. The ghost mode oscillation may result in sparkling and even cracking of the window. In this paper, a method for suppressing the ghost mode oscillation in S band broadband klystron is discussed through the simulation, analysis and experiment for improving the configuration of the cylindrical waveguide in the output window with little effect on the voltage standing wave coefficient in the operating frequency band.

Klystron; Output window; Ghost mode oscillation; Suppression

TN122

A

1009-5896(2017)03-0731-06

10.11999/JEIT160482

2016-05-10；改回日期：2016-09-14；

2016-11-17

张志强 zqzhang@mail.ie.ac.cn

张志强： 男，1975年生，正高级工程师，研究方向为物理电子学.

罗积润： 男，1957年生，研究员，研究方向为物理电子学.

张兆传： 男，1965年生，研究员，研究方向为物理电子学.