800V行波管研究

第２５卷第７期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．７　　２０１３年７月ＨＩＧＨ　ＰＯＷＥＲ　ＬＡＳＥＲ　ＡＮＤ　ＰＡＲＴＩＣＬＥ　ＢＥＡＭＳ　Ｊｕｌ．，２０１３　文章编号：　１００１－４３２２（２０１３）０７－１６１３－０２＊研究快报＊　８００Ｖ行波管研究＊王少萌，　侯　艳，　魏彦玉，　段兆云，　宫玉彬（电子科技大学微波电真空器件国家级重点实验室，成都６１００５４） 摘　要：　提出了一种角度对数周期微带曲折线慢波结构，该结构具有微带型慢波结构尺寸小、易加工的特点，同时特殊的结构使得它可以工作在极低的电压下，可用于低工作电压、宽频带毫米波径向束行波管。

给出了这种慢波结构在Ｋａ波段的色散特性和传输特性，并进行了注波互作用的分析。

计算结果表明：该新型慢波结构的工作电压可低至８０９Ｖ，输出功率２６Ｗ，３ｄＢ带宽约为１９ＧＨｚ（２７～４６ＧＨｚ），虽然单个角度对数周期微带曲折线慢波结构的输出功率较小，但是这种结构通过功率合成，可以达到数百Ｗ的功率输出。

关键词：　对数周期；　微带曲折线；　慢波结构；　低电压；　行波管 中图分类号：　ＴＮ１２５ 文献标志码：　Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１３２５０７．１６１３ 随着未来空间技术的发展，雷达系统、毫米波遥感探测和机载干扰设备等微波系统对微波功率放大器体积的要求越来越严格。

这使得低电压、小尺寸和低成本的固态放大器的竞争力日益增强，在Ｋａ以下频段更是有取代真空放大器的趋势［１］。

而作为真空放大器中应用最广泛的器件，行波管在工作带宽、效率等方面仍领先于固态放大器［２－３］。

因此，探索低电压、小体积、易加工的行波管是应对固态放大器挑战的重要手段之一。

微带曲折线是一种具有小体积和易加工特点的慢波结构，且工作电压较螺旋线、耦合腔等常规慢波结构有所降低，但是在Ｋａ波段仍高达５８００Ｖ［４－５］；对数螺旋线是一种工作电压在５０Ｖ以内的慢波结构，但是输出功率仅在ｍＷ级，且仅能工作在Ｃ波段以下［６－７］。

角度对数周期微带曲折线慢波结构是一种新型的平面慢波结构，它是从平面对数螺旋线上截下角度为θ的一部分，然后将端点交替连接而成，弯曲部分满足对数螺旋线方程ｒ＝ａｅｂφ，其中ａ为结构的初始半径，ｂ为决定相邻弯曲部分距离的常数，ｒ为极角φ处的半径，如图１所示，图中同时标注出了主要的结构参数。

这种结构使它具有以下特点：工作电压可降至ｋＶ以内、能够工作在Ｋａ及更高频段、可通过印刷电路技术加工和具有非周期结构的模式选择特性［８］；此外，由于该结构的角向长度逐渐增大，因此较小的径向长度仍能保证足够长的互作用路径。

它可以采用扇形带状电子束工作，电子束由位于慢波结构中心侧的扇形阴极发射，在向外部运动的过程中电流密度逐渐减小，因此可以采用较大的发射电流，并可用较小的径向磁场约束以保持厚度不变［９］。

图２为该结构的色散特性曲线，可以看出，该结构对光速的归一化相速在０．０５左右，对应的电子束工作电压约在８００Ｖ，并且曲线较为平坦，预示了较宽的工作带宽。

图３为３０个对数周期的慢波结构的传输特性曲线。

主要结构参数为：ａ＝６ｍｍ，ｂ＝０．００２，ｄ＝０．０４ｍｍ，ｔ＝０．０２ｍｍ，ｗ＝０．０４ｍｍ，θ＝８°。

Ｆｉｇ．１　Ｓｌｏｗ－ｗａｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｉｐ　ａｎｇｕｌａｒ　ｌｏｇ－ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｍｅａｎｄｅｒ－ｌｉｎｅ图１　微带角度对数曲折线慢波结构模型Ｆｉｇ．２　Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｃｈａｒａｔｅｒｉｓｔｉｃｓ图２　色散特性Ｆｉｇ．３　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ图３　传输特性 注波互作用模拟采用了３０个对数周期的角度对数周期微带曲折线慢波结构，结构总长约７ｍｍ，两端分别引入相同的同轴探针作为输入输出耦合结构，考虑到实际材料所产生的欧姆损耗，将介质材料设为氮化硼，金属部分为无氧铜［１０］。

粒子模拟计算时，从扇形结构的近圆心端注入具有７２个宏粒子的初始半径为５．９ｍｍ、＊收稿日期：２０１３－０３－０８； 修订日期：２０１３－０３－１９基金项目：国家自然科学基金项目（６０９７１０３１，６１１２５１０３）；四川省青年基金项目（２０１０ＪＱ０００５）作者简介：王少萌（１９８６—），男，博士，从事新型毫米波器件研究；ｗａｎｇｓｈａｏｍｅｎｇ１０２４＠ｑｑ．ｃｏｍ。

通信作者：宫玉彬（１９６７—），男，博士，教授，主要从事真空电子学和高功率微波技术等方面研究；ｙｂｇｏｎｇ＠ｕｅｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ。

角度为８°、厚度为０．０４ｍｍ、电压为８０９Ｖ、电流为１５０ｍＡ的扇形电流，采用０．２５Ｔ的径向均匀磁场聚焦。

在３　８８９　０００个网格和３．４ＧＨｚ的ＣＰＵ速度下，经过３０ｈ的三维粒子模拟计算，电流最后得到稳定放大。

图４给出了频率为３５ＧＨｚ处的功率随径向距离的增长曲线，结构的初始半径为６ｍｍ，可以看出随着互作用的进行，输出功率逐渐增加，并在输出端口位置达到最大。

图５为结构的输出功率和增益随输入信号功率的变化，可以看出结构最大增益为２６．５ｄＢ，当输入功率为１Ｗ时，输出功率达到饱和，约为２６Ｗ。

图６为结构在Ｋａ波段的饱和输出功率和增益曲线，结构的３ｄＢ带宽达到５４％，最高互作用效率为２１．７％。

虽然单个曲折线的输出功率不大，但是扇形的结构可以在一片环形介质基片上印制多条曲折线，共用一套径向电子光学系统，使得该类型行波管的加工组装更为方便。

比如，在一片内径为５．８ｍｍ、外径为１３．５ｍｍ的环形介质基片上，最多可以印制３０条角度为８°的曲折线，理想情况下可以达到７９５Ｗ的输出功率。

Ｆｉｇ．４　Ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ａｔ３５ＧＨｚ图４　功率增长曲线（３５ＧＨｚ）Ｆｉｇ．５　Ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｇａｉｎ　ｖｓｉｎｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ图５　不同输入功率下的输出功率和增益Ｆｉｇ．６　Ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄｇａｉｎ　ｖｓ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ图６　不同频率下的饱和输出功率和增益参考文献：［１］　Ｅｐｐ　Ｌ　Ｗ，Ｈｏｐｐｅ　Ｄ　Ｊ，Ｋｈａｎ　Ａ　Ｒ，ｅｔ　ａｌ．Ａ　ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ　Ｋａ－ｂａｎｄ（３１－３６ＧＨｚ）ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｌｏｗ－ｌｏｓｓ　ｃｏｒｐｏｒａｔｅ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅｃｏｍｂｉｎｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，２００９，５６（８）：１８９９－１９０８．［２］　Ｍａｃｈｉｄａ　Ｔ，Ｓｕｚｕｋｉ　Ｗ，Ｙｏｓｈｉｄａ　Ｍ，ｅｔ　ａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｋａ－ｂａｎｄ　５００ＷＣＷ　ｈｅｌｉｘ　ＴＷＴ［Ｃ］／／ＩＥＥＥ　Ｉｎｔ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｆ．２０１１：１７－１８．［３］　Ｇｏｎｇ　Ｈ　Ｒ，Ｇｏｎｇ　Ｙ　Ｂ，Ｔａｎｇ　Ｔ，ｅｔ　ａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ　Ｋａ－ｂａｎｄ　ｆｏｌｄｅｄ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ－ｗａｖｅ　ｔｕｂｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，２０１１，５８（７）：２１５９－２１６３．［４］　沈飞，魏彦玉，许雄，等．１４０ＧＨｚ菱形微带曲折线慢波结构行波管的模拟计算［Ｊ］．强激光与粒子束，２０１２，２４（１）：１３９－１４１．（Ｓｈｅｎ　Ｆｅｉ，Ｗｅｉ　Ｙａｎｙｕ，Ｘｕ　Ｘｉｏｎｇ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｈｏｍｂｕｓ－ｓｈａｐｅｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　ｍｅａｎｄｅｒ－ｌｉｎｅ　ｓｌｏｗ　ｗａｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　１４０ＧＨｚ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｗａｖｅ　ｔｕｂｅ．Ｈｉｇｈ　Ｐｏｗｅｒ　Ｌａｓｅｒ　ａｎｄ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｂｅａｍｓ，２０１２，２４（１）：１３９－１４１）［５］　Ｓｈｅｎ　Ｆ，Ｗｅｉ　Ｙ　Ｙ，Ｘｕ　Ｘ，ｅｔ　ａｌ．Ｕ－ｓｈａｐｅｄ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　ｍｅａｎｄｅｒ－ｌｉｎｅ　ｓｌｏｗ－ｗａｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　Ｋａ－ｂａｎｄ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ－ｗａｖｅ　ｔｕｂｅ［Ｃ］／／２０１２Ｉｎｔ　Ｃｏｎｆｏｎ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ａｎｄ　Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ　Ｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２０１２：１－２．［６］　Ｓａｖｅｌ’ｙｅｖ　Ｖ　Ｓ，Ｋｕｓｈｃｅｎｋｏ　Ｇ　Ｉ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ＴＷＴ　ｗｉｔｈ　ａ　ｒａｄｉａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｓｔｒｅａｍ［Ｊ］．Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＰｈｙｓｉｃｓ，１９７０，１５（１２）：２２６７－２２７２．［７］　Ｓａｖｅｌ’ｙｅｖ　Ｖ　Ｓ．Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｒａｄｉｃａｌｌｙ　ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｓｔｒｅａｍ　ａｎｄ　ａ　ｒａｄｉｃａｌｌｙ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｗａｖｅ［Ｊ］．Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９６７，６：９４１－９４７．［８］　Ｓｏｌｎｔｓｅｖ　Ｖ　Ａ．Ｍｏｄｅ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｓｅｕｄｏｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ａｎｄ　ｓｌｏｗ　ｗａｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃ　ｏｆ　ＳＰＩＥ．１９９４，２２５０：３９９．［９］　Ｗａｎｇ　Ｓ　Ｍ，Ｇｏｎｇ　Ｙ　Ｂ，Ｗｅｉ　Ｙ　Ｙ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｌ－ｓｈｅｅｔ－ｂｅａｍ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　Ｐｌａｓｍａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１２，４０（１２）：３４４２－３４４８．［１０］　许雄，魏彦玉，沈飞，等．６５０ＧＨｚ正弦波导返波管的计算［Ｊ］．强激光与粒子束，２０１２，２４（１）：５－６．（Ｘｕ　Ｘｉｏｎｇ，Ｗｅｉ　Ｙａｎｙｕ，Ｓｈｅｎ　Ｆｅｉ，ｅｔａｌ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　６５０ＧＨｚ　ｓｉｎｅ　ｗａｖｅｇｕｉｄｅ　ｂａｃｋｗａｒｄ　ｗａｖｅ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ．ＨｉｇｈＰｏｗｅｒＬａｓｅｒａｎｄＰａｒｔｉｃｌｅＢｅａｍｓ，２０１２，２４（１）：５－６）Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　８００Ｖｔｒａｖｅｌｉｎｇ－ｗａｖｅ　ｔｕｂｅＷａｎｇ　Ｓｈａｏｍｅｎｇ，　Ｈｏｕ　Ｙａｎ，　Ｗｅｉ　Ｙａｎｙｕ，　Ｄｕａｎ　Ｚｈａｏｙｕｎ，　Ｇｏｎｇ　Ｙｕｂｉｎ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａ　ｓｌｏｗ－ｗａｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ＳＷＳ）ｎａｍｅｄ　ｍｉｃｒｏ－ｓｔｒｉｐ　ａｎｇｕｌａｒ　ｌｏｇ－ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｍｅａｎｄｅｒ－ｌｉｎｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｌｏｗ　ｏｐｅｒａｔ－ｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｖａｃｕｕｍ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ．Ｉｔ　ｅｖｏｌｖｅｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ　ｓｐｉｒａｌ　ｂｙ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｏｆｆ　ａ　ｆａｎ－ｓｈａｐｅｄ　ｐａｒｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｎｄｓ　ａｌｔｅｒ－ｎａｔｅｌｙ．Ｔｈｉｓ　ｌｅｔｔｅｒ　ｒｅｐｏｒｔｓ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ＳＷＳ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ－ｗａｖｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｉｎ－ｃｅｌｌ（ＰＩＣ）ｍｅｔｈｏｄ．Ｆｒｏｍ　ｏｕｒ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ－ｗａｖｅ　ｔｕｂｅ　ｃａｎ　ｇｉｖｅ　２６Ｗｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒｗｉｔｈ　ｔｈｅ　３ｄＢ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　２７－４６ＧＨｚ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｓ　８０９Ｖｏｎｌｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｇａｉｎ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒａｃ－ｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｒｅ　ａｂｏｕｔ　２６．５ｄＢ　ａｎｄ　２１．７％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＳＷＳｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ，ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｈｕｎｄｒｅｄｓｏｆ　ｗａｔｔｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｕｔｐｕｔ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｌｏｇ－ｐｅｒｉｏｄｉｃ；　ｍｅａｎｄｅｒ－ｌｉｎｅ；　ｓｌｏｗ－ｗａｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；　ｌｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅ；　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ－ｗａｖｅ　ｔｕｂｅ４１６１强激光与粒子束第２５卷。