两种新型微波管慢波结构的高频特性仿真研究

两种新型微波管慢波结构的高频特性仿真研究
冯晨峰
【摘要】The high-frequency circuit (HFC) is one of the most important parts in the microwave tubes, where the electron beam and the electromagnetic wave interacts each other. As the requirement of the performance of the microwave tubes improves, the efficiency and performance of the HFC are also required to be improved. In this paper, we simulate and study the high-frequency characteristic (i.e. dispersion, coupling impedance etc.) of two high-frequency circuits of microwave tubes (ring bar slow-wave structure, folded waveguide slow-wave structure) with HFSS and CST MWS software. At last we also compared the results of two different structures.%慢波结构是微波管重要的部件．它是电子注与高频场相互作用进行能量交换以实现微波振荡或放大的场所。

随着对微波管性能越来越高的要求．微波管慢波结构的效率和性能要求也随之提高。

文中首先分析了如何求解微波管慢波结构的高频特性，并在此基础上使用了HFSS以及CSTMWS等软件对两种新型微波管慢波结构（环杆慢波结构、折叠波导慢波结构）的高频特性（色散特性、耦合阻抗）进行了初步的仿真研究，并通过对结果的分析比较了两个结构的特性。

【期刊名称】《电子设计工程》
【年(卷),期】2012(020)024
【总页数】3页(P190-192)
【关键词】行波管;慢波结构;高频特性;HFSS;CSTMWS
【作者】冯晨峰
【作者单位】电子科技大学物理电子学院,四川成都610054
【正文语种】中文
【中图分类】TN124
在微波、毫米波领域，尤其是微波通信中微波电真空器件一直都是不可或缺的电子器件之一。

它具有高功率、高增益、高效率、宽频带等优点。

目前，微波管已经广泛应用于宽带无线通信、雷达、电子干扰和对抗等民用及军用领域[1]。

由于慢波系统的高频特性对微波管的工作带宽、增益、输出功率以及效率等参数具有重要的影响，为了进一步改善微波管的性能人们往往需要根据相关理论对它的尺寸和材料等进行一些调整。

数值计算的引入使得这项工作变得简单而且经济[2]。

微波管CAD技术的目标是：“first-pass desig n success”即通过模拟一次制管成功。

针对特定管型这一目标已经在部分公司实现[3]。

但总体上说微波管CAD技术离这一目标还有一定的距离，国外正在加大投资和开发力度。

目前国外的微波管研制单位在计算微波管的高频冷参数及输入输出S参数时主要依靠商业电磁仿真软件HFSS和CST MWS。

笔者主要是通过HFSS以及CST MWS两款商业软件对新型的微波管慢波结构的高频特性进行模拟仿真，比较分析两种结构的特性。

1 微波管高频特性求解过程
从上述微波管的工作原理中可以看出，慢波结构设计的优劣直接影响到微波管的性能。

那么该使用什么样的指标来衡量慢波结构的设计优劣呢？从注波互作用的理论分析中可以归纳出3个参量，分别是色散特性、耦合阻抗、衰减常数。

色散特性
主要通过相速表示，而相速计算的准确性直接影响到注波的同步；耦合阻抗描述电子注与电磁场的耦合强度；衰减常数描述慢波结构材料对波的衰减大小。

文中主要研究的是前两个参量，即色散特性以及耦合阻抗。

目前在利用大部分计算电磁学软件对微波管慢波结构进行3维数值分析求解出其
高频参数以及高频场都是先通过求解一个大型的广义本征问题得到一个表示慢波结构的谐振频率的本征值。

但是在实际过程中，上述表示谐振频率的本征值并不能描述微波管高频电路的性能。

需要进行简单的后处理才能够得到在实际应用工程中感兴趣的高频参数。

后处理计算过程如下[4]：
1.1 色散特性
色散特性的表示方法有多种，在此用相速与频率的关系来表示，这是最直接的方法。

相速可表示为：
其中f为本征频率，pitch为慢波结构的周期长度，phase从master面到slave
面场的相位变化，由用户指定。

1.2 耦合阻抗
电子注与场的能量交换决定于电子注通道内的纵向电场强度，而纵向场与通过慢波结构的功率流相关，因此采用复数表示法可以定义耦合阻抗的计算公式为：
上式中为纵向电场幅值在位置上的平均，Tp为通过慢波系统的传输功率。

慢波结构的周期性导致其中存在无限多个空间谐波，它们的相速互不相同，而电子注的速度是一定的，因此注波之间的互作用过程只能发生在某一次空间谐波上。

次空间谐波的耦合阻抗可表示为：
上式中为n次空间谐波纵向场分量的幅值。

需要注意的是，尽管相速不同，但各
次空间谐波的群速是相同的，也就是说它们是以统一的形式来携带能量而形成功率流的，所以在（3）式中Tp应该是通过系统的总的功率流。

βn是n次空间谐波的传播常数：
2 慢波结构的高频特性的数值仿真比较
2.1 环杆慢波结构
图1 环杆结构的结构示意图Fig.1 Structure diagram of ring-bar
2.1.1 色散特性的模拟与仿真
可以通过把相位差设置为变量，采用参数扫描的方式，一次性运行后得到整个色散曲线，如图2所示。

2.1.2 耦合阻抗的模拟与仿真
根据式（2）通过软件进行数值仿真得到环杆的耦合阻抗的图形如图3所示。

2.2 折叠波导慢波结构
目前对折叠波导的研究还主要限于矩形波导或H波导E面弯曲而成的慢波系统，对其他截面形状的折叠波导还未见报道[5]。

其模型示意图如图5所示。

图2 HFSS以及CST求得的环杆的色散曲线Fig.2 Result dispersion curve of ring-bar by using HFSSand CST
图3 HFSS以及CST求得的环杆的耦合阻抗曲线Fig.3 Result coupling impedance curve of ring-bar by using HFSSand CST
图4 折叠波导模型示意图Fig.4 Result structure diagram of folded waveguide 2.2.1 色散特性的模拟与仿真
为了可以使用CST软件进行仿真，文章中我们均采用一个周期的模型结构进行仿真，通过运算可以得到规一化相速随频率的变化曲线如图5所示。

图5 HFSS以及CST求得的折叠波导的色散曲线Fig.5 Result dispersion curve
of folded waveguide by using HFSSand CS
2.2.2 耦合阻抗的模拟与仿真
折叠波导慢波结构第n次空间谐波的耦合阻抗的理论计算式在前面已经分析过，
在此模拟计算基波的耦合阻抗，图6所示的即为所求得耦合阻抗的结果。

图6 HFSS和CST计算得到的折叠波导的耦合阻抗曲线Fig.6 Result coupling impedance curve of folded waveguide by using HFSSand CST
3 结论
本文通过HFSS以及CST两款商业软件分别仿真研究了两款新型微波管慢波结构，通过研究结果我们发现环杆结构基波下提供了更高的互作用阻抗和更高的互作用效率[6]；折叠波导色散比较弱，具有相当宽的频带。

应用折叠波导作为毫米波行波
管的慢波电路或许能较好地兼顾宽频带和大功率的特点。

【相关文献】
[1]邬显平.世纪之交的微波真空器件[J].真空电子技术，2003（1）:1-7.WU Xian-ping.Microwave vacuum devices during transit between centuries[J].Vacuum Electronics，2003（1）：1-7.
[2]梁献普.微波管慢波结构高频特性的有限元分析[D].成都:电子科技大学，2010.
[3]廖复疆.大功率微波电子注器件及其发展[J].真空电子技术，1999（4）:1-14.LIAO Fu-
jiang.Microwave electron beam devices and their technical advances[J].Vacuum Electronics，1999（1）：1-14.
[4]刘盛纲，李宏福，王文祥，等.微波电子学导论[M].北京:国防工业出版社，1985.
[5]John H.Booske，Carol L.Kory，Mark C.Converse accurate parametric modeling of folded waveguide circuits for millimeter-wave traveling wave tubes[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2005，52（5）:685-694.
[6]Subrata Kumar Datta，Vemula Bhanu Naidu.Equivalent Circuit Analysis of A Ring-Bar Slow-Wave Structure for High-Power Traveling-Wave Tubes[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2009，56（2）:3184-3190.。