一种sine型慢波结构的研究

1、文章编号：一种sine型微带慢波结构的研究程兆亮，魏彦玉，王森林，沈飞，殷海荣，王战亮，路志刚，段兆云，宫玉彬，王文祥（电子科技大学物理电子学院，微波电真空器件国家级重点实验室，成都 610054）摘 要：文提出了一种sine型微带曲折线慢波结构，分析了这种结构在Ka波段的色散特性、耦合阻抗和传输特性。并且利用高频仿真软件HFSS分析了结构尺寸对高频特性的影响。结果表明，在ka波段，sine型微带曲折线慢波结构的色散较弱，耦合阻抗较高，传输特性较好。关键词：sine型微带慢波结构；色散特性；耦合阻抗；Ka波段中图分类号： TN124 文献标志码： A毫米波功率模块是一种由微波功率模块方法引出的

2、毫米波放大器件，它同时具有小型毫米波行波管高功率输出、高效率和固态放大器小尺寸、低噪声的优点1。它主要用于多种军事和商业应用内作为毫米波源。耦合腔、折叠波导和螺旋线是行波管目前所用的慢波结构。耦合腔虽然输出功率高，但是带宽较窄；折叠波导工作电压偏高，有较宽带宽；螺旋线行波管虽然带宽宽，但输出功率低，特别是工作频率上升到V波段时，螺旋线结构尺寸太小，而且作为三维结构，不易加工。为了解决以上问题，学者提出了平面微带曲折线慢波结构。微带型慢波结构是由在介质基片或介质支撑杆上按一定空间周期排列的微带线阵列在相邻处交替连接构成的平面慢波电路2,3。微带型慢波结构制造工艺简单、成本低、适合大规模生产，具有

3、一定的发展前景，而且，这种平面慢波结构一般采用带状电子束，在不增加电流密度的情况下增大了总的电流强度4。目前，已经提出的微带线慢波结构有直角形微带曲折线、U型微带曲折线、V型微带曲折线等慢波结构5-10。前两种带宽较窄，后者加工不易实现，在此基础上，本文提出了一种sine 型微带曲折线慢波结构。相对于直角形微带曲折线和U型微带曲折线慢波结构，sine型微带曲折线慢波结构具有更弱的色散，更宽的带宽；相对于V型微带曲折线慢波结构，sine型微带曲折线慢波结构的高频特性更好，且容易加工。1 sine型微带曲折线慢波结构模型Sine型微带曲折线模型如图1所示。其中介质基板厚度为h，长度为a，采用介电常

4、数为9.8的氧化铝材料；空气框高度为d；sine微带线的振幅为b；微带线宽度为w，厚度为t，系统周期为p。Fig.1 Modal and dimensional parameters of sine-shaped microstrip meander-line SWS图1 sine型微带慢波结构的模型和结构参数2 高频特性仿真我们利用高频仿真软件HFSS对该结构的高频特性进行了仿真和优化，比较了sine型微带曲折线慢波结构与直角型微带曲折线慢波结构的色散特性和耦合阻抗，如图2所示，并分析了结构尺寸对sine结构高频特性的影响，如图3所示。由图2可以看出，sine型微带曲折线慢波结构相比于直角型

5、，色散稍弱，带宽更宽，耦合阻抗相当。Fig.2 Dispersion characteristics and interaction impedance of the two SWSs图1 两种结构的色散特性和耦合阻抗由图3-6可知，随着b的增大，归一化相速减小，频率下降，耦合阻抗变化不大；介质基板长度在b的2倍左右时对高频特性的影响不大；介质基板的厚度h增大，归一化相速增大，色散变强，耦合阻抗增大；随着微带线厚度t增大，归一化相速增大，耦合阻抗增大。同时我们知道，微带线的厚度增加，高频系统的反射变强，传输特性变差，综合考虑以上尺寸的影响以及对系统注-波互作用的影响，应该根据实际要求选择合适的

6、结构尺寸。Fig.3 Dispersion characters and interaction impedance versus a图3 色散特性和耦合阻抗随a的变化Fig.4 Dispersion characters interaction impedance versus b图4 色散特性和耦合阻抗随b的变化Fig.5 Dispersion characters interaction impedance versus h图5 色散特性和耦合阻抗随h的变化Fig.6 Dispersion characters interaction impedance versus t图6 色散特性和

7、耦合阻抗随t的变化利用CST仿真软件的微波工作室模块11，可以对sine型微带曲折线慢波结构的传输特性进行仿真，如图3所示，采用同轴过渡，通过仿真可以得到系统的S参数，如图4所示。由图6可知，系统的S11在20GHz到37GHz小于-20dB，S21在20GHz到40GHz大于-1dB。(a) Modal of transmission(b) S-parametersFig. 6 Modal and S-parameters of transmission图2 传输特性的模型和S参数3 结论 通过对sine型微带曲折线慢波结构的色散特性、耦合阻抗及传输特性的分析表明，该类慢波结构具有良好的高频

8、特性，同时由于该类慢波结构的加工工艺简单、工作电压低，以及采用带状注电子束等优点，因此，是一类有潜力的毫米波平面慢波结构。参考文献:1 J. Kennedy and C. Colombo, “Development of a low voltage powerbooster TWT for a Q-band MMPM,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 48, no. 1, pp. 180182, Jan. 2001.2 A.W. Scott, Microwave generator with interleaved focusing and intera

9、ction structures. U. S. Patent, 149191, 1971-7-2.3 张大勇,冯进军,等. 微带型曲折慢波结构冷测特性的计算机仿真J. 电子器件, 2006,29(4):1223-1226. (Zhang Dayong, Feng Jinjun, et al. The cold-test characteristics simulation of microstrip meander-line slow-wave structureJ. Electron Devices, 2006,29(4):1223-1226.4 Wei Yanyu, Shen, et al

10、. A novel V-shaped microstrip meander-line slow-wave structure, China Patent 201 010 227 284.X, Nov. 24, 2010.5 Shen Fei, Wei Yanyu et al. Cold-test characteristics simulation of a V-type microstrip meander-line slow-wave structure. Proceeding of 2010 8th International Vacuum Electron Sources Confer

11、ence and Nanocarbon, Nanjing, China, October 14-16, 2010, pp: 288-289.6陈常婷,宫玉彬,沈飞,魏彦玉,王文祥；一种新型微带曲折线慢波结构的设计；真空电子技术，2011年 第02期7沈飞;魏彦玉;一种V形微带曲折线慢波结构的研究A;中国电子学会真空电子学分会第十八届学术年会论文集C;2011. 8沈飞，魏彦玉；140GHz菱形微带曲折线慢波结构行波管的模拟计算；强激光与粒子束，2012年01期9 Fei Shen,Yanyu Wei,Xiong Xu; A Novel V-Shaped Microstrip Meander-L

12、ine Slow-Wave Structure for W-band MMPM;IEEE Transactions On Electron Devices;VOL.40, NO.2, February 2012.10 Fei Shen, Yanyu Wei, Xiong Xu; Symmetric Double V-Shaped Microstrip Meander-Line Slow-Wave Structure for W-Band Traveling-Wave Tube;IEEE Transactions On Electron Devices;Volume:59,Issue: 5;Ma

13、y 2012.11 CST software, copyright CST, Germany.A sine-shaped microstrip meander-line slow-wave structureCheng Zhaoliang, Wei Yanyu ,Wang Senlin, Shen Fei, Yin Hairong, Wang Zhanliang, Lu Zhigang, Duan Zhaoyun, Gong Yubin, Wang Wenxiang (National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Ele

14、ctronics, School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054, Sichuan, China)Abstract: A sine-shaped microstrip meander-line slow-wave structure (SWS) is studied in this paper. The dispersion characteristics, coupling impedance and transmission

15、characteristics of this structure are analyzed at Ka-band. In addition, the effects of different structural parameters on the novel structure are analyzed by using of the electromagnetic simulation software HFSS. The results show that sine-shaped microstrip meander-line has promising dispersion charact