环杆行波管慢波结构冷测特性的精确仿真+研究.pdf

中国电子学会电路与系统学会第十九届年会论文集 环杆行波管’陧波结构冷测特性的精确仿真 李实 刘韦 王景田 关靖 (中国科学院电子学研究所微波器件中心 北京 100080) 摘要：本文介绍了用MAFIA三维软件计算环杆结构行波管慢波结构的色散和耦台阻抗参数的方法，并 对一环杆行波管的慢波结构进行了计算。结果表明，在行渡管工作带宽的波段里，其色散和耦合 阻抗计算结果和实际结果很好地一致。 关键词： 行波管 环杆结构行波管 环杆慢波结构 色散 耦台阻抗 一、前言 环杆结构行波管(TWT)慢波系统是由三个挟持杆把一个环杆结构的慢波线固定在圆 柱形导体腔里组成。因为环杆慢波结构有一定的带宽，同时又可以加较高的慢波线电压， 有较高的功率容量，所以长期以来一直在行波管行业里保持着重要的地位，用途十分广泛。 环杆结构慢波结构的色散、耦台阻抗是设计环杆结构行波管的几个关键参数。过去获得这 些参数的方法是实际制作和测量慢波结构，计算机模拟技术的发展，使仿真环杆慢波结构 特性成为可能。近些年，有很多相关仿真软件开发出来。上世纪末，国外报道了用计算机 程序MAFIA实现了慢波结构参数的精确仿真…““…，国内文献““53也作了比较详细的相关 论述。但这些文献主要讨论了螺旋线慢波结构或耦合腔慢波结构，至今没有关于环杆结构 慢波结构特性仿真的详细报道。本文是在上述文章的基础上，介绍了用MAFIA三维计算程 序计算环杆结构行波管慢波结构的色散和耦合阻抗的具体方法，并对某环杆结构行波管的 慢波结构进行了实际计算。计算结果表明在行波管工作带宽的波段里，仿真结果和实际测 试结果较好地一致。 二、模拟方法 2．1色散特性 运用MAFIA模拟环杆结构的色散特性通常可以采用类似于实验测试方法相同的谐振 法，在慢波线的两断面设置不同的理想电壁／磁壁边界条件。当结构长度为半波长(相移 为万)的整数倍时，可模拟得到不同谐振模式对应的谐振频率。根据谐振频率与对应谐振 模式下的相移之间的关系就可计算得到色散特性。 conditions)， 现在MAFIA软件提供了一个准周期边界条件(quasi—periodicboundary 在这种边界条件下，可以在一个慢波线结构周期的轴向指定一个固定的相移，相应的谐振 频率就可以计算出来。特别是使用周期边界条件，所计算的场为纯行波场，与实际情况更 接近。根据这种方法计算得到的色散曲线比较规则，可计算得到准确的群速度，为计算耦 合阻抗打下了基础。 由谐振频率与对应相位之间的关系可得到计算相速的公式 V。=2班／妒 (J) Ⅵ一458 —————————-!_里皇jl燮堕皇墨堕堂叁苎±垄旦兰叁堕奎塞 式中，，为模拟计算得到的谐振频率：L为环杆结构慢波线螺距；妒为厂所对应的相移， 可以是电壁或磁壁边界条件下的固定相移，也可以是准周期边界条件下的指定相移。根据 公式(1)可模拟计算环杆结构慢波线的色散特性。 2，2耦合阻抗 利用微扰法原理在环杆结构慢波线的中心轴线处放置一个圆柱形介质棒，模拟计算腔 体受到微扰前后的本征频率偏移并通过推导得到的公式进行计算。微扰前后轴向传播常数 变化的公式为 筇=【嬲。0，一1)陋’．E+d明／4咒 (2) 式中：s，为介质棒的介电常数，P为功率流，E’为微扰前的电场复共轭，E’为微扰后的 电场。 再由微扰法理论可知，微扰前后频率的改变量与轴向传播常识的变化量相关，其计算 公式 ／,f／f=0。／V，根△卢)／∥) (3) 式中，△厂为微扰前后谐振频率的变化量；厂为微扰前模拟得到的谐振频率；V，为相速，v。 为群速，可通过求解色散特性曲线的斜率得到。 在环杆结构慢波电路中，电子注通常与基波同步并进行能量