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W波段TE02模式回旋行波管带宽输入耦合器设计

王哲远 王峨锋

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W波段TE02模式回旋行波管带宽输入耦合器设计

    作者简介: 王哲远(1995—),男,硕士,主要从事高功率毫米波器件技术研究;757947212@qq.com.
  • 基金项目: 航天预研项目(305050703)
  • 中图分类号: TN129

Design of broad-band input coupler of W-band TE02 mode gyro-TWT

  • CLC number: TN129

  • 摘要: 输入耦合器是回旋行波管的重要组成部分之一,其作用是将矩形波导TE10模式的信号,通过模式变换结构转换为回旋放大器件中的模式,输入耦合器性能的优劣直接影响了回旋管整管的带宽等性能。通过对W波段TE02模式回旋行波管的输入耦合器进行理论分析,指出影响主模传输损耗的一个因素是杂模的崛起使主模的传输系数降低,利用仿真软件进行仿真,通过优化耦合孔的尺寸,抑制杂模的产生,将损耗从3.9 dB降低到了0.8 dB。根据优化尺寸加工,实际测试,得到3.0 dB带宽7.9 GHz的输入耦合器,与设计符合较好。
  • 图 1  输入耦合器示意图

    Fig. 1  Schematic diagram of the input coupler

    图 2  TE模特征根与内外半径之比的关系

    Fig. 2  Eigenvalue of TE mode vs radius ratio

    图 3  同轴腔TE811传播常数及谐振腔长度与半径rb的关系

    Fig. 3  TE811 propagation constant in coaxial guide and length vs raidus rb

    图 4  TE811谐振频率与半径rb的关系

    Fig. 4  Frequency vs outer radius rb

    图 5  TE01与TE02模式传输情况

    Fig. 5  Coefficient S21 of mode TE01 and TE02

    图 6  耦合缝长度偏移对TE01模式S21参数的影响

    Fig. 6  Dependence of parameter S21 of TE01 mode on the length deviation of slot

    图 7  耦合缝宽度偏移对TE01模式S21参数的影响

    Fig. 7  Dependence of parameter S21 of TE01 mode on the width deviation of slot

    图 8  HFSS中输入耦合器的电场分布图

    Fig. 8  Electric field profiles of input coupler in HFSS

    图 9  耦合器S21系数

    Fig. 9  Coefficient S21 of input coupler

    图 10  耦合器S11系数

    Fig. 10  Coefficient S11 of input coupler

    图 11  杂模对输入耦合器S21参数的影响

    Fig. 11  Dependence of the input coupler’s parameter S21 on the miscellaneous modes

    图 12  输入耦合器冷测实验图

    Fig. 12  Cold test of input coupler

    图 13  HFSS仿真和冷测实验的S21参数对比

    Fig. 13  Comparison of parameter S21 between HFSS simulation and cold test

    表 1  输入耦合器的初始结构

    Table 1  Input coupler initial structures (mm)

    coaxial cavity outer radiuscoaxial cavity inner radiuscoaxial cavity lengthcircular waveguidecoupler aperture
    5.54.232.9013.650.6×1.344
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    表 2  输入耦合器的优化结构

    Table 2  Input coupler optimization structures (mm)

    coaxial cavity outer radiuscoaxial cavity inner radiuscoaxial cavity lengthcircular waveguidecoupler aperture
    5.474.452.923.650.67×1.35
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-19
  • 录用日期:  2019-11-06
  • 网络出版日期:  2019-11-28
  • 刊出日期:  2019-12-01

W波段TE02模式回旋行波管带宽输入耦合器设计

    作者简介: 王哲远(1995—),男,硕士,主要从事高功率毫米波器件技术研究;757947212@qq.com
  • 北京真空电子技术研究所 微波电真空器件国家重点实验室,北京 100015

摘要: 输入耦合器是回旋行波管的重要组成部分之一,其作用是将矩形波导TE10模式的信号,通过模式变换结构转换为回旋放大器件中的模式,输入耦合器性能的优劣直接影响了回旋管整管的带宽等性能。通过对W波段TE02模式回旋行波管的输入耦合器进行理论分析,指出影响主模传输损耗的一个因素是杂模的崛起使主模的传输系数降低,利用仿真软件进行仿真,通过优化耦合孔的尺寸,抑制杂模的产生,将损耗从3.9 dB降低到了0.8 dB。根据优化尺寸加工,实际测试,得到3.0 dB带宽7.9 GHz的输入耦合器,与设计符合较好。

English Abstract

  • 回旋行波管[1]在毫米波波段输出功率高,平均功率高,带宽宽[2-4]。W波段(75~110 GHz)回旋行波管高功率微波放大器在军用中具有十分重要的应用前景。回旋行波管的潜在应用有高密度通讯、深空间雷达、高梯度直线对撞机、环境遥感和空间碎片的追踪等方面[5]

    随着频率的升高,回旋行波管高频结构尺寸减小,当工作在W波段时,若采用TE01模式,互作用及用作电子通道的截止段尺寸小。此截止段为整个回旋行波管尺寸最小处,半径仅为1.65 mm,而电子注外半径为1.15 mm,如果管体和磁体的同轴度稍有偏差,将极易发生电子截获现象,会严重影响管子的输出特性。因此研究高阶TE02模式作为W波段回旋行波管的工作模式对解决这一问题具有重要意义。在相同频率点,如果采用TE02模式,电子注最小通道处半径可扩大至3 mm,使得电子截获问题得到极大的改进。

    输入耦合器是回旋行波管高频系统的关键部件之一,它主要由输入波导、同轴腔、圆波导等组成,其中同轴腔与圆波导之间为耦合狭缝,输入耦合的功能是将外部矩形波导输入TE10模的高频信号转化为内腔工作模式的行波场,实现对回旋电子注的速度调制和密度调制[6]。文献[7]中提出可以将耦合狭缝视为偶极子,通过偶极子理论获得初始值,再进行优化。其计算过程复杂,计算结果与仿真结果相比中心频率偏差较小,但Q值偏差极大。文献[8]中提出一种新的近似理论,并通过引入修正来反映耦合缝的影响,使得耦合器设计时间骤减。徐勇[9]等人将其近似理论利用在了Ka波段TE01模式回旋行波管耦合器设计中,获得了3 dB带宽3 GHz,并通过冷测实验验证了其设计方法的合理性。文献[10]中给出Ka波段TE02模式回旋速调管输入耦合器的研究成果,该耦合器3 dB带宽2%,为700 MHz,文献[11]给出相同模式频段速调管耦合器的设计结果,其中心频率为34.2 GHz,3 dB带宽约1.5%,为500 MHz。但对于W波段TE02模式回旋行波管输入耦合器的设计仍存在两个问题:第一,速调管本身就是窄带器件,其输入耦合器的带宽设计只需要满足回旋速调管的工作带宽即可,且在高阶模式下,速调管只需要满足同轴腔与互作用谐振腔的谐振频率匹配,并且使不需要的模式谐振频率远离工作频率即可实现对杂模的抑制;第二,文献[9]使用近似理论用于Ka波段TE01模式耦合器设计中,但TE01为基模,模式纯度同样较好实现。而对于W波段TE02模式回旋行波管输入耦合器的设计,TE01模式成为必然出现的杂模。本文根据实际制管需求,通过近似理论得到耦合器初始参数,通过进一步优化尺寸以抑制TE01模式,设计最终得到传输损耗0.8 dB,3 dB带宽8.5%的宽带回旋行波管输入模式耦合器。

    • 图1是W波段TE02模式回旋行波管输入耦合器示意图,1为输入波导,2为同轴腔,3为圆波导,同轴腔与圆波导之间为耦合狭缝,rarb分别为同轴腔内径与外径,dcdk分别为耦合缝宽与缝长,r为波导半径,L为同轴腔长度。耦合器左端开孔连接电子枪,半径小于高频互作用段,对于工作频率截止,是为了防止输入信号往电子枪方向传播,右端连接互作用段。耦合器的输入信号是矩形波导TE10模式,可以通过同轴腔激励起的TEN11模式经N个耦合孔在波导中建立TE0n模式,其中n=0,1,2…。在图1中同轴腔与波导之间的开孔为8条均匀分布的矩形耦合狭缝,在同轴腔激励的TE811模式,通过8个狭缝以磁耦合的方式在圆波导内建立起TE02模式。其中耦合缝长度和宽度对传输性能的影响尚未有理论证明,但可以用HFSS模拟得到。

      图  1  输入耦合器示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of the input coupler

      输入耦合器结构复杂,精确的解析分析十分困难。本文采用了输入耦合器的一种近似的理论分析方法进行了研究,利用HFSS进行精确的数值模拟和优化,得到W波段TE02模式高性能的回旋行波管输入耦合器。文献[9]中给出了同轴谐振腔的详细分析,其利用圆柱坐标系,再通过分离变量法,得到TE波本征方程为

      ${\rm{J}}_m'\left( {{K_{\rm{c}}}{r_{\rm{a}}}} \right){\rm{Y}}_m'\left( {{K_{\rm{c}}}{r_{\rm{b}}}} \right) - {\rm{J}}_m'\left( {{K_{\rm{c}}}{r_{\rm{b}}}} \right){\rm{Y}}_m'\left( {{K_{\rm{c}}}{r_{\rm{a}}}} \right) = 0$

      (1)

      式中:Jm,Ym分别为m阶第一类Bessel函数和m阶第二类Bessel函数。此时,为了方便计算并确定内外半径之间的关系,设${K_{\rm{c}}}{r_{\rm{a}}} = \chi $${r_{\rm{b}}}/{r_{\rm{a}}} = \alpha $,则式(1)本征方程变为

      ${\rm{J}}_m'\left( \chi \right){\rm{Y}}_m'\left( {\alpha \chi } \right) - {\rm{J}}_m'\left( {\alpha \chi } \right){\rm{Y}}_m'\left( \chi \right) = 0$

      (2)

      此时传播常数与谐振条件为

      ${\beta _{mn}} = \sqrt {{K^2} - K_{\rm{c}}^2} = \sqrt {{\omega ^2}\varepsilon \mu - {{\left( {{\chi _{mn}}/{r_{\rm{a}}}} \right)}^2}} $

      (3)

      ${\beta _{mn}}L = p{{\text{π}}}\;\;\;(p = 1,2,3 \ldots) $

      (4)

      式中:χmn为本征方程特征根,对应于TMmn或TEmn模式;L为同轴腔长度。

      由于本征方程(2)只能用近似求解或数值求解,利用Matlab进行编程计算,得到同轴波导TE模特征根χmn与内外半径之比α的关系图如图2所示。

      图  2  TE模特征根与内外半径之比的关系

      Figure 2.  Eigenvalue of TE mode vs radius ratio

      截止频率为${f_{\rm{c}}} = {\chi _{mn}}/2{{\text{π}}}{r_{\rm{a}}}\sqrt {\varepsilon \mu } $,因此在半径之比α确定时截止频率随外半径增大而减小。文献[10]中指出当内外半径之比α在1~2.5时,TE61,TE71χmn值小于TE81,此时通过合适的L长度可以使得带内只有TE811很好的谐振,并通过开8个槽获得了很纯的TE021谐振模式,因此本论文也通过TE811模式采用开8槽在回旋行波管圆波导建立TE02模式,内外半径之比取为1.3。TE81模式下谐振腔长度L、传播常数β与半径rb的关系如图3所示,当确定谐振腔外半径rb的值为5.5 mm时,可以计算出传播常数β的值,此时也可以确定谐振腔长度L的初始值,而谐振频率与半径rb的关系如图4所示。

      图  3  同轴腔TE811传播常数及谐振腔长度与半径rb的关系

      Figure 3.  TE811 propagation constant in coaxial guide and length vs raidus rb

      图  4  TE811谐振频率与半径rb的关系

      Figure 4.  Frequency vs outer radius rb

      理论分析是求解输入耦合器的关键,可确定耦合器许多结构尺寸的初始范围,在本文中,互作用半径通过计算为3.65 mm,初始内外腔半径之比取为1.3,通过谐振腔长度L、传播常数βrb的关系就可以得到耦合器初始尺寸如表1所示。

      表 1  输入耦合器的初始结构

      Table 1.  Input coupler initial structures (mm)

      coaxial cavity outer radiuscoaxial cavity inner radiuscoaxial cavity lengthcircular waveguidecoupler aperture
      5.54.232.9013.650.6×1.344
    • 在确定部分初始结构参数后,进行模拟得到TE01与TE02模式的传输情况对比如图5所示。

      图  5  TE01与TE02模式传输情况

      Figure 5.  Coefficient S21 of mode TE01 and TE02

      可以看到杂模TE01对TE02模式的传输性能有较大影响,而通过改变耦合缝宽边及长边尺寸,由图6图7可以看出调整耦合缝的长宽尺寸对TE01模式有明显抑制,因此可以通过调整耦合缝尺对TE02模式时的传输性能进行优化。

      图  6  耦合缝长度偏移对TE01模式S21参数的影响

      Figure 6.  Dependence of parameter S21 of TE01 mode on the length deviation of slot

      图  7  耦合缝宽度偏移对TE01模式S21参数的影响

      Figure 7.  Dependence of parameter S21 of TE01 mode on the width deviation of slot

      通过仿真软件HFSS进行结构优化,最终优化的输入耦合器结构参数如表2所示。此时通过耦合器3D模型得到电场分布图如图8所示。

      表 2  输入耦合器的优化结构

      Table 2.  Input coupler optimization structures (mm)

      coaxial cavity outer radiuscoaxial cavity inner radiuscoaxial cavity lengthcircular waveguidecoupler aperture
      5.474.452.923.650.67×1.35

      图  8  HFSS中输入耦合器的电场分布图

      Figure 8.  Electric field profiles of input coupler in HFSS

      图5可以看到在圆波导中存在从耦合缝耦合入的TE81模式,但由于TE81模式在波导中是截止的,因此通过8个角向相差45°的耦合缝最终在圆波导中耦合出较纯的TE02模式。设计出的输入耦合器S21参数和S11参数如图9图10所示。

      图  9  耦合器S21系数

      Figure 9.  Coefficient S21 of input coupler

      图  10  耦合器S11系数

      Figure 10.  Coefficient S11 of input coupler

      从耦合系数S21的变化曲线可以看到在3 dB处频率范围为92.54~100.54 GHz,共8 GHz的带宽。但是由能量守恒公式,在理想条件下应有S112S212=1,可以看到能量并不平衡。例如在带外92 GHz处S112S212=0.720 8,可能是由于杂模存在而引起的。在相同条件下,通过仿真尽可能多TE02模式外的其他模式进行比对,如图11所示。同样在带外92 GHz处,有两个能量明显较高的杂模,将其计算进去,可得此时S112S212=0.974 6,意味着能量在带外传输给到了别的模式,因此杂模也是影响回旋行波管耦合器性能的重要因素之一,之后如果想继续增加带宽则仍需要设法抑制杂模。

      图  11  杂模对输入耦合器S21参数的影响

      Figure 11.  Dependence of the input coupler’s parameter S21 on the miscellaneous modes

    • 利用优化设计的尺寸,加工出输入耦合器的实物并进行冷测。图12为正在进行冷测的试验照片,图13为冷测实验结果与模拟仿真结果的S21比对图,实际测试的输入耦合器传输损耗比模拟仿真的传输损耗要大,此外冷测结果在3 dB处带宽约为7.9 GHz,而仿真结果3 dB带宽为8 GHz,是因为模拟仿真模型均为理想情况,而实际加工时,存在加工和装配误差。

      图  12  输入耦合器冷测实验图

      Figure 12.  Cold test of input coupler

      图  13  HFSS仿真和冷测实验的S21参数对比

      Figure 13.  Comparison of parameter S21 between HFSS simulation and cold test

    • 本文对W波段TE02模式回旋行波管输入耦合器进行理论与数值分析,给出了在W波段TE02模式下耦合器各参数之间的关系。在选择初始参数后模拟发现,杂模TE01对TE02模式耦合器传输损耗影响最严重,而通过调整耦合狭缝对杂模TE01有明显抑制。进行优化后得到模拟设计结果传输损耗为0.8 dB,但此时在带外利用能量守恒公式计算发现能量并不平衡,通过仿真更多的模式发现其他模式的崛起会影响主模能量的传输。根据优化尺寸加工后实际冷测损耗为1.0 dB,3.0 dB带宽约为7.9 GHz,与模拟设计符合较好。

参考文献 (11)

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