回旋行波管介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)色散特性測(cè)量范文

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《微波學(xué)報(bào)》2015年第S1期

摘要:

文章研究了回旋行波管介質(zhì)加載高頻結(jié)構(gòu)中TE01模式色散特性的測(cè)試方法，給出了測(cè)試結(jié)果并和理論計(jì)算進(jìn)行比較，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析了色散特性對(duì)回旋行波管輸出特性的影響，同時(shí)預(yù)測(cè)了互作用的輸出特性并和實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞:

回旋行波管，介質(zhì)加載，色散特性，測(cè)量方法

介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)作為回旋行波管的互作用結(jié)構(gòu)［1-4］，可以很好地抑制振蕩模式，工作性能穩(wěn)定。在這種結(jié)構(gòu)中波的色散特性相對(duì)于在理想波導(dǎo)中的色散特性會(huì)發(fā)生較大改變［5］。本文利用改變高頻結(jié)構(gòu)的長度從而改變相位的原理，對(duì)加載介質(zhì)(ε=25+11j)高頻結(jié)構(gòu)的TE01模式色散特性的測(cè)量方法進(jìn)行了研究。將測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，通過電子注的同步色散關(guān)系曲線，對(duì)采用此高頻結(jié)構(gòu)的回旋行波管的帶寬和工作參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并和實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1介質(zhì)連續(xù)加載波導(dǎo)色散方程理論

如圖1所示，因?yàn)楣ぷ髂Ｊ蕉門E01模，所以考慮采用部分介質(zhì)連續(xù)加載的圓波導(dǎo)的情況，I區(qū)為真空區(qū)域，II區(qū)為介質(zhì)加載區(qū)域。為了得到部分介質(zhì)連續(xù)加載波導(dǎo)的色散方程，如圖1所示，可將波導(dǎo)橫截面分為介質(zhì)區(qū)域和真空波導(dǎo)區(qū)域，然后在每個(gè)區(qū)域用位函數(shù)法求解場(chǎng)方程，最后利用邊界場(chǎng)匹配方法求得色散方程。(2)式相當(dāng)于部分介質(zhì)連續(xù)加載波導(dǎo)中TE波及TM波單獨(dú)存在時(shí)的色散特性，這就說明在m=0的情況下TE0n模及TM0n模可以單獨(dú)存在。此時(shí)，求解(2)式可以得到表征不同混合模式的特征根γmn=αmn+jβmn。通過介質(zhì)層的邊界條件，可以求出混合模式中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的幅值，進(jìn)而可以對(duì)不同混合模式的傳播和損耗特性進(jìn)行分析［5］。

2介質(zhì)加載圓波導(dǎo)色散特性測(cè)試

2．1TE01模式轉(zhuǎn)換器的確定這種耦合器通過標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)輸入TE10模式，在同軸耦合腔產(chǎn)生足夠強(qiáng)度和純度的TE511模式。接著，在腔體內(nèi)壁模磁場(chǎng)最大處開孔，能量以磁耦合的方式耦合到內(nèi)圓柱波導(dǎo)，激勵(lì)起所需模式TE01。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖3是利用HFSS模擬得到的場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出，該模式轉(zhuǎn)換器在腔體中得到了模式純度很好的TE01模式。測(cè)試時(shí)，把兩個(gè)TE01模式轉(zhuǎn)換器對(duì)接如圖4所示，圖5是兩個(gè)TE01模式轉(zhuǎn)換器對(duì)接后得到的S21的傳輸情況。從圖5中可以看出，頻率在33．5～36．5GHz之間的插入損耗在1dB左右，可認(rèn)為每個(gè)TE01模式轉(zhuǎn)換器的插入損耗是0．5dB。為了驗(yàn)證TE01模式轉(zhuǎn)換器在測(cè)試中的效果，先對(duì)被測(cè)試衰減材料的衰減特性進(jìn)行理論與測(cè)試結(jié)果比較，根據(jù)γmn=αm+jβmn，被測(cè)試衰減材料介電常數(shù)ε=25+11j，根據(jù)(2)式計(jì)算得到衰減常數(shù)。衰減材料為圓環(huán)形狀，套在園波導(dǎo)中形成介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)，如圖6所示。把介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)置于兩個(gè)TE01模式轉(zhuǎn)換器之間，如圖7所示。得到的衰減材料對(duì)TE01模式隨頻率的衰減量見圖8。可以看出，理論計(jì)算衰減值、HFSS模擬衰減值和實(shí)際測(cè)量衰減值差別在1．5dB以內(nèi)。因此，可以認(rèn)為TE01模式轉(zhuǎn)換器可以滿足測(cè)試要求，在33．5～36．3GHz之外的頻率候傳輸特性變得很差，反射也急劇增大，因此，對(duì)介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)色散曲線的測(cè)量頻率范圍確定在33．5～36．3GHz之間，超出這個(gè)頻率范圍的測(cè)試結(jié)果是不可靠的。

2．2介質(zhì)色散特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖9是測(cè)試原理框圖，把待測(cè)的介質(zhì)加載高頻結(jié)構(gòu)置于兩個(gè)TE01模式轉(zhuǎn)換器之間(圖7)。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得到各頻率點(diǎn)的相位φ1。圖10是在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上得到的相位圖。在介質(zhì)加載圓波導(dǎo)的中間加一段長度為L的衰減材料如圖11所示，得到改變長度后的相位φ2，根據(jù)下式可以得到微波在介質(zhì)加載圓波導(dǎo)里的傳播常數(shù)β。

3介質(zhì)加載圓波導(dǎo)色散特性測(cè)試結(jié)果分析

分別對(duì)周期性介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)(如圖12所示)和均勻加載結(jié)構(gòu)(圖6)進(jìn)行了測(cè)試，為了方便比較，這里把根據(jù)(2)式計(jì)算得到的加載圓波導(dǎo)色散特性、測(cè)試得到的連續(xù)加載介質(zhì)波導(dǎo)色散特性、周期性介質(zhì)加載波導(dǎo)色散特性和理想波導(dǎo)色散特性放在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，如圖13所示，圖中橫坐標(biāo)kz為波的縱向波數(shù)。通過比較發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算的介質(zhì)波導(dǎo)的色散特性和理想波導(dǎo)的色散特性34．2GHz以上比較接近。在34．2GHz以下，加載介質(zhì)后的色散特性與未加載的色散特性出現(xiàn)較大分離，在原來理想波導(dǎo)的截止頻率以下，傳播常數(shù)不為零，而是個(gè)無限接近于零的極小值，即表示此時(shí)的波仍然能傳播。這說明部分介質(zhì)連續(xù)加載波導(dǎo)無明顯的截止頻率，只是在某一頻率點(diǎn)附近出現(xiàn)傳播常數(shù)的突變，該頻率點(diǎn)略低于真空波導(dǎo)的截止頻率。在近似處理的情況下，可以將該頻率點(diǎn)看作是部分介質(zhì)加載波導(dǎo)的截止頻率。在周期性介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)中(圖12)，介質(zhì)環(huán)和導(dǎo)體環(huán)交替放置，由于導(dǎo)體環(huán)的長度比起衰減材料的長度小得多，因此實(shí)際測(cè)量的連續(xù)介質(zhì)加載的色散特性和周期性的色散特性比較接近，但是和理論計(jì)算時(shí)相比較有一定的差別，造成這種差別的原因:1)在真實(shí)的加載結(jié)構(gòu)中，材料的不均勻性導(dǎo)致波在傳輸過程中會(huì)反射導(dǎo)致測(cè)試誤差。2)介質(zhì)介電常數(shù)和損耗角正切測(cè)試的誤差導(dǎo)致計(jì)算誤差。3)模式轉(zhuǎn)換器對(duì)TE01模式轉(zhuǎn)換的純度不可能是100%，導(dǎo)致了測(cè)試誤差。

和理想波導(dǎo)的色散曲線相比，加載介質(zhì)后的波導(dǎo)呈現(xiàn)出兩個(gè)特點(diǎn):1)加載介質(zhì)后波的色散曲線下移，波在介質(zhì)中傳播的相速度相對(duì)于在理想波導(dǎo)中的相速度降低，波的相速度被介質(zhì)“延遲”了。2)比較介質(zhì)加載圓波導(dǎo)色散和未加載的色散特性可以發(fā)現(xiàn)，加載后的色散曲線被“拉直了”更接近于“直線”。上述兩個(gè)特點(diǎn)可以展寬回旋行波管的工作帶寬，針對(duì)這個(gè)問題，這里給出回旋行波管電子注同步方程。在圖13基礎(chǔ)上根據(jù)(4)式可得到電子注的色散曲線，如圖14所示。電子注的參數(shù)為電壓63kV，磁場(chǎng):1．235T，橫縱速度比為1。由圖14結(jié)合上面分析的特點(diǎn)(1)和(2)可知，加載介質(zhì)后波的色散曲線可以在較寬的范圍內(nèi)和電子注色散曲線相切，拓寬了互作用的同步范圍，因此可以提高互作用的帶寬，從而較大地提高回旋行波管的工作帶寬。由圖14還可以知道，電子注的色散曲線和加載介質(zhì)后波導(dǎo)的色散曲線33．5～35．5GHz的范圍內(nèi)都是“相切”的。對(duì)采用這種衰減材料作為高頻結(jié)構(gòu)的回旋行波管進(jìn)行了測(cè)試。工作參數(shù)為電壓63．5kV，電流:10A，橫縱速度比:1，磁場(chǎng):1．237T。測(cè)試得到的工作帶寬從33．5～35．7GHz，與圖14中預(yù)測(cè)的工作帶寬基本吻合。

4結(jié)論

本文通過TE01模式轉(zhuǎn)換器，利用改變介質(zhì)加載段長度使得波的相位隨之改變的原理，測(cè)試得到了TE01模式在介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播的色散特性，并且和理論計(jì)算值進(jìn)行了比較。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知:(1)采用介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)可降低波的相速度。(2)采用介質(zhì)加載結(jié)構(gòu)可使得波的色散曲線被“拉直”了更接近于“直線”，這樣可以擴(kuò)展互作用帶寬。最后通過測(cè)試得到的色散特性預(yù)測(cè)了互作用特性，與實(shí)際測(cè)試結(jié)果吻合。

作者：王峨鋒 曾旭 孫昊 馮進(jìn)軍 朱世秋 單位：中國電子科技集團(tuán)公司第12研究所 微波電真空器件國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室