W波段回旋速调管输入耦合器设计.pdfVIP

W波段回旋速调管输入耦合器的设计 鲍尧①②孟欣①②薛谦忠②李科①② ①中国科学院大学 北京 100039 ②中国科学院电子学研究所，高功率微波源与技术重点实验室，北京100190 摘要：本文对应用于W波段TEol回旋速调管的输入耦合器进行了分析，通过计算得到输入耦合器的初 步结构尺寸，然后利用三维电磁模拟软件CST对其进行了仿真与优化，结果表明，该耦合器可以在W 波段激励起工作模式TEolI模，谐振频率为94GHZ，Q。为169，并研究了耦合缝长宽对谐振频率及Q 值的影响。 关键词：回旋速调管，输入耦合器，耦合缝，电磁模拟 引言 回旋速调放大器是一种高功率、高效益、高增益及具有一定带宽的新型高功率毫米波器件。它在高 分辨率毫米波成像、毫米波对抗、材料处理和高能粒子加速器等方面具有重要的应用前景，因而越来越 受到人们的重视【l圳。 输入系统是回旋速调管放大器的重要组成部分，它将波导输入的高频信号转化为内圆柱腔中工作模 式的驻波场，从而实现对回旋电子注的角向调制，作为一种放大器，回旋速调管输入腔中高频场结构的 微小变化都会在输出腔中被放大，同时输入的高频信号功率又比较低，因此，将矩形波导的TElo模转 换成高纯度对称圆电模的输入耦合器的模拟与设计对于提高整管的输出特性具有非常重要的意义[3钏。 本文针对w波段工作模式为TE01模回旋速调管输入耦合器进行了分析，并借助电磁仿真软件CST 对其进行了仿真与设计。 1、输入耦合器的结构与理论分析 W波段TE01模回旋速调管输入耦合器由三部分组成：矩形波导、外腔(同轴谐振腔腔)和内腔(开 放式圆柱腔)，其中外腔和内腔共轴，同轴谐振腔与圆柱腔之间有五条分布均匀的耦合缝，其结构如图 1所示，a、b分别为外腔内半径和外半径。矩形波导中输入的高频信号为TEIo模式，在外腔(同轴谐 漂移段对工作模式截止，回旋电子注从左端注入，受内腔中TE011模调制后从右端输出。 图1输入耦合器结构不意图 回旋速调管输入耦合器的结构较为复杂，精确的理论分析非常困难。可以采取的一个方法是把外腔 与内腔之间的耦合缝看作对谐振腔的扰动，忽略耦合缝对波导输入接口的影响，分别对外部的同轴谐振 腔与内部的圆柱腔进行理论分析。 在圆柱坐标系下，由分离变量法可以得到同轴波导中波动方程的解。同轴波导中传播的TE模的纵 向场分量为 (1) 皿=霹J肌(Kcr)+曰匕(K，．)lsinm(oe哪2 由r=a、b处的边界条件可得 TE波 I q(K。口)+B砭(K。D)=o ㈤ l彳‘(K。b)+BYm(K6)=o 339 方程(2)是以A，B为变量的齐次线性方程组，其有非零解的条件是系数行列式等于零，这样可以 得到TE波的特征方程 Jm(z)砭(咄)一‘(az)r；(z)=o(3) 其中 Kcn=Z，b}a=Gc TE。模在同轴波导中的传播常数为 (4) ,am。= 7 6 5 4 cE× 3 2 1 气 1．5 2 2．5 3 3．