E波段折叠矩形槽波导行波管的研究
【图文】：
．本文首先在ＡｎｓｏｆｔＨＦＳＳ中设计优化了Ｅ波段折叠矩形槽波导的关键几何尺寸，并从横截面场分布分析了截面平均耦合阻抗的特点，证明折叠矩形槽波导适合加载带状电子注，最后在三维粒子模拟软件ＣＳＴ粒子工作室中模拟了折叠矩形槽波导行波管的注－波互作用过程，并与优化后的Ｅ波段折叠矩形波导行波管做了对比．结果显示，折叠矩形槽波导行波管全频带内的输出功率、电子效率以及增益均高于折叠矩形波导行波管．１折叠矩形槽波导结构参数的优化设计折叠矩形槽波导的结构参数如图１所示，ａ为槽深，ｂ为槽宽，ｐ为半周期，ｓ为直波导段长度，ｄ为两平板间距，ｃ表示平板高度．图１折叠矩形槽波导示意图折叠矩形槽波导结构参数的优化需要综合考虑其色散特性、耦合阻抗以及衰减特性．色散特性表征了电磁波在系统中传播时的相速ｖｐ随频率ｆ变化的关系．它关系到微波管的工作电压、频带宽度、工作频率、工作稳定性等一系列重要指标，而耦合阻抗则表征了慢波系统与电子注相互作用的有效程度，与微波放大管的增益、效率直接相关，所以一般希望具有尽可能高的耦合阻抗［１５］．随着频率的升高，慢波结构的衰减不断增大，所以衰减特性也是慢波结构参数选择中一个不可忽略的因素．１．１折叠矩形槽波导槽深的优化选择折叠矩形槽波导的槽深ａ主要决定着波导内的截止频率，它的改变会使色散曲线整体移动．因此，改变槽深ａ的同时也需改变半周期ｐ，使得色散曲线在中心频率８３．５ＧＨｚ处的相速保持不变，再对色散特性进行评价．图２显示的是四种不同槽深ａ和半周期ｐ的优化组合下，其归一化
图２四种优化组合对色散的影响图３四种优化组合对耦合阻抗的影响从耦合阻抗的曲线可以看出，随着槽深ａ的减小，截止频率升高，耦合阻抗也单调递增．综合色散特性以及耦合阻抗可以看出，在８１～８６ＧＨｚ内，ａ＝０．９ｍｍ的色散平坦度与ａ＝０．９５ｍｍ的情况相当，但耦合阻抗相对更高．１．２折叠矩形槽波导槽宽的优化选择折叠矩形槽波导的槽宽ｂ对色散特性的影响如图４所示．从色散曲线可以看出，随着ｂ的增加，工作频带内的相速略有减小，但色散平坦度基本一致．图５为８１ＧＨｚ、８３．５ＧＨｚ以及８６ＧＨｚ三个频点的耦合阻抗随ｂ变化的关系曲线，可以看出在ｂ＝０．４ｍｍ时耦合阻抗有一个最大值．图４槽宽ｂ对色散的影响图５槽宽ｂ对耦合阻抗的影响１．３折叠矩形槽波导周期以及直波导段的优化选择折叠矩形槽波导半周期ｐ增加，归一化相速会增大；而直波导长度ｓ增大会使电磁波在一个周期ｐ内走过的路径增大，这样会导致归一化相速值变小．因此单独分析这两个尺寸对折叠矩形槽波导色散特性的影响意义不大，所以还是通过控制中心频率８３．５ＧＨｚ处的相速不变，对比不同ｐ和ｓ组合下的冷特性．其色散曲线，耦合阻抗以及衰减情况分别如图６，图７，图８所示．从图７可以看出，这四种组合的耦合阻抗大小基本一样，但由图６、图８可以看出，ｐ＝０．５８ｍｍ、ｓ＝０．４８ｍｍ组合下的色散平坦度最好且衰减最小，因此选择ｐ和ｓ都较小的组合．图６不同ｐ和ｓ组合对色散的影响图７不同ｐ和ｓ组合对耦合阻抗的影
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