Ka波段TE01模回旋行波管宽带输入耦合器的设计

1、Ka波段TE01模回旋行波管宽带输入耦合器的设计 Ka波段TE01模回旋行波管的输入耦合器将矩形波导中输入的TE10模转化为圆波导中TE01模的行波场,以实现对回旋电子注角向速度的调制。本文首先对Ka波段TE01模回旋行波管的输入耦合器开展了解析分析和数值计算。通过数值计算得到输入耦合器的初步构造和尺寸,然后利用三维高频分析软件HFSS开展准确的模拟和修正。通过优化设计在Ka波段获得了3 dB带宽约为3 GHz,1 dB带宽大于2GHz的高性能TE10-TE411-TE01输入耦合器和3 dB带宽约为3.5 GHz,1 dB带宽约为3 GHz的高性能TE10-TE511-TE01输入耦合器。冷

2、测实验研究说明优化设计结果与冷测结果相吻合。 The broad-band input coupler of Ka-band TE01 mode gyro-traveling wave tube(TWT),was designed,which transforms the TE01 mode in the rectangular waveguide to TE01 mode in the circular inner waveguide.The TE01 mode modulates the transverse velocity of the electron beams in the gy

3、ro-TWT.The design involved three stages.First,the input coupler was approximated,modeled,and calculated to get the preliminary results of interest,including its structures and sizes,etc.Second,the preliminary results were simulated and modified to improve the approximation,with the 3-dimensional,hig

4、h frequency structure simulation(HFSS Code) software package.Finally,two types of the input coupler were designed and fabricated based on structure optimization.One was the optimal TE10-TE411-TE10 input coupler,meeting the design requirements of 3 dB bandwidth of about 3 GHz,and 1dB bandwidth of ove

5、r 2 GHz;the other TE10-TE511-TE10 input coupler,3 dB bandwidth of about 3.5 GHz,and 1dB bandwidth of approximate 3 GHz.The results of the designed were found to agree fairly well with the cold test results. 回旋行波管在毫米波波段与普通行波管相比,具有高功率的特点; 与普通速调管相比, 具有功率、宽频带的特点。它在毫米波成像雷达、毫米波通信系统以及电子战等领域有着十分重要的应用前景, 因此在

6、国际上倍受重视。输入耦合器是回旋行波管的核心部件之一。回旋行波管利用输入信号对回旋电子注开展速度调制, 由于相对论质量效应使其逐渐形成角向群聚, 在注-波互作用中交出能量, 产生高功率毫米波输出。输入耦合器是完成输入信号模式变换并对回旋电子注开展能量或速度调制的高频器件, 与电子注的群聚状态密切相关。输入耦合器设计的好坏直接影响着回旋行波管的互作用效率、增益、带宽等性能。为了实现较高的模式转化效率, 展宽其频带, 同时有效地抑制寄生模式,输入耦合器的构造较复杂, 因此, 要对其开展准确计算是非常困难的。国外多采用高频构造模拟( HFSS)软件开展分析和计算, 但单独采用HFSS 对需要大量构造

7、尺寸分析计算和调试的输入耦合器开展初步设计是极不方便的, 且构造尺寸的调整较为麻烦。因而本文首先对回旋行波管的输入耦合器开展近似的解析分析, 并编制计算程序, 1 min 内就能完成一种构造尺寸设计, 同时输入耦合器的构造尺寸调整也极为方便。在完成输入耦合器的初步设计后, 再用HFSS 软件加以准确模拟, 对近似分析计算开展修正、优化, 到达输入耦合器的设计要求, 大大地缩短了输入耦合器设计周期。 本文介绍了Ka 波段TE01模回旋行波管的输入耦合器设计方法。在获得输入耦合器的初步构造尺寸后, 再借助HFSS 对输入耦合器的构造参数开展优化, 大大缩短输入耦合器的设计周期。通过优化设计在Ka 波段获得了3 dB 带宽约为3 GHz, 1 dB 带宽大于2 GHz 的高性能输入耦合器和3 dB 带宽约为35 GHz, 1 dB 带宽约为3 GHz 的高性能输入耦合器。研究说明: 耦合缝偏移5小角度对输入耦合器的性能影响不大,可见焊接时对耦合缝的定位精度要求不高; 输入耦合器的3 dB 带宽对耦合缝的尺寸比较敏感, 这就要求加工制作耦合器时要严格控制耦合缝的加工精度; 5 缝输入耦合器的传输特性优于4 缝输入耦合器; 5 缝输入耦合器的