同軸交錯(cuò)圓盤(pán)加載波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)高頻特性的研究 - 圖文-

1、 物 理 學(xué) 報(bào) Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 22 (2014 224101 式中 Ezm 為電子注所在位置上的縱向電場(chǎng)幅值, P 為通過(guò)慢波系統(tǒng)的功率流, 為相位常數(shù). 在色散方程的推導(dǎo)中, 我們已經(jīng)得到 Ez 和 H 的表達(dá)式, 而在同軸交錯(cuò)圓盤(pán)加載波導(dǎo)中, 功率流 的指向是 r 方向, 所以 1 2 zm +s P = Ez H r d d z. 2 0 zm 波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗. 位周期長(zhǎng)度 L 可以明顯地減小慢波結(jié)構(gòu)的相速, 同 時(shí)隨著 L 的減小帶寬也有所增加. 圖 8 給出了慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗隨內(nèi)徑 ra 的 變 化. 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 為: rb

2、 = 2 mm, rc = 3.3 mm, rd = 3.5 mm, w = 0.1 mm, L = 0.8 mm, 電 子 注通道圓孔的直徑 a = 0.5 mm, 圓孔的中心半徑 r = 2.65 mm. 從圖 8 可以看出, 隨著內(nèi)導(dǎo)體半徑 ra 的減小, 慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗得到提高. 因此, 為 了提高同軸交錯(cuò)圓盤(pán)加載波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的注波互 作用效率, 在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)可以適當(dāng)?shù)販p小內(nèi)導(dǎo)體的 半徑. 0.26 (17 由表達(dá)式 (16 和 (17 便可求得同軸交錯(cuò)圓盤(pán)加載 3 模擬計(jì)算結(jié)果與討論 經(jīng)過(guò)前面的分析可知, (9 式可以用來(lái)計(jì)算同 軸交錯(cuò)圓盤(pán)加載波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系. 我們 其理

3、論計(jì)算結(jié)果如圖 5 所示. 為了驗(yàn)證理論分析的 正確性, 利用電磁仿真軟件 Ansoft HFSS 18 0.24 0.22 0.20 0.18 0 ra=1.9 mm ra=1.7 mm ra=1.5 mm 10 20 /GHz 30 40 對(duì)同 軸交錯(cuò)圓盤(pán)加載波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特進(jìn)行了模 擬, 并與理論值相比較, 結(jié)果如圖 5 所示. 明顯地, 模擬值與本文理論計(jì)算得到的值相符合. 計(jì)算中 用到的結(jié)構(gòu)尺寸為 ra = 1.5 mm, rb = 2 mm, rc = 3.3 mm, rd = 3.5 mm, L = 1.2 mm, w = 0.1 mm, s = 0.5 mm. 0.270

4、vpc vpc 利用此式來(lái)計(jì)算慢波結(jié)構(gòu)中對(duì)稱模式的色散特性, 圖6 0.27 ra 的變化對(duì)色散特性的影響 0.24 0.21 0.255 0.18 vpc 0.240 L=0.8 mm L=1 mm L=1.2 mm 0 5 10 15 頻率/GHz 20 25 30 0.15 0.225 0.210 0 0.5 圖7 1.0 1.5 L 2.0 2.5 3.0 100 80 Kc/W 周期長(zhǎng)度 L 的變化對(duì)色散特性的影響 ra=1.5 mm ra=1.3 mm ra=1.1 mm 圖5 色散特性理論值與模擬值的比較 圖 6 給出了不同內(nèi)徑 ra 對(duì)色散特性的影響. 結(jié) 構(gòu)參數(shù)為: rb =

5、 2 mm, rc = 3.3 mm, rd = 3.5 mm, L = 1 mm, w = 0.1 mm, s = 0.4 mm. 可以看出隨 著 ra 的增加, 色散曲線變得平坦, 色散減弱, 帶寬 增加, 相速增加. 圖 7 給出了單位周期長(zhǎng)度 L 的變 化對(duì)色散特性的影響, 結(jié)構(gòu)參數(shù)除 ra = 1.5 mm 外, 其余與圖 6 所取結(jié)構(gòu)參數(shù)相同. 可以看出, 減小單 224101-6 60 40 20 0 0 0.5 1.0 1.5 L 2.0 2.5 3.0 圖8 ra 的變化對(duì)耦合阻抗的影響 物 理 學(xué) 報(bào) Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 22 (201

6、4 224101 同軸圓盤(pán)加載波導(dǎo)是已知一種圓盤(pán)周期加載 慢波結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)如圖 9 所示. Henoch 3 散, 改善帶寬, 但是相速增加; 減小內(nèi)徑可以提高慢 波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗. 最后對(duì)同軸圓盤(pán)加載波導(dǎo)和同 軸交錯(cuò)圓盤(pán)加載波導(dǎo)的色散特性進(jìn)行了對(duì)比, 結(jié)果 表明采用圓盤(pán)交錯(cuò)加載方式可以使色散曲線變得 更加平坦, 增加了慢波結(jié)構(gòu)的帶寬, 同時(shí)也使得慢 波結(jié)構(gòu)的相速降低. 對(duì)同軸圓 盤(pán)加載波導(dǎo)進(jìn)行了深入理論分析, 他從場(chǎng)論出發(fā) 得到了其色散方程. 這里將同軸圓盤(pán)加載波導(dǎo)和 同軸交錯(cuò)圓盤(pán)加載波導(dǎo)的色散特性進(jìn)行對(duì)比, 結(jié) 果如圖 10 所示. 結(jié)構(gòu)參數(shù)為: ra = 1.5 mm, rb = 2

7、mm, rc = 3.3 mm, rd = 3.5 mm, w = 0.1 mm, L = 0.8 mm, s = 0.3 mm. 可以看出, 同軸交錯(cuò)圓 盤(pán)加載波導(dǎo)的色散明顯弱于同軸圓盤(pán)加載波導(dǎo), 同 時(shí)采用交錯(cuò)圓盤(pán)加載方式可以顯著地降低慢波結(jié) 構(gòu)的相速, 用作行波管時(shí)可以降低工作電壓. r 參考文獻(xiàn) 1 Wang W X, Yu G F, Gong Y B 1995 Vacuum Electron. 5 30 (in Chinese 王文祥, 余國(guó)芬, 宮玉彬 1995 真空電子 技術(shù) 5 30 2 Zhang R, Wang Y 2012 J. Vacuum Sci. Technol.

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12、ic Theory for Microwaves and Optoelectronics (2nd Ed. (Beijing: Electronic Industry Press pp274277 (in Chinese 張克潛, 李德杰 2001 微波與光電子學(xué)中的電磁理論 (第二版 (北 京: 電子工業(yè)出版社 第 274277 頁(yè) 15 Liu S G, Li H F, Wang W X 1985 Introduction of Microwave Electronics (Beijing: National Defence Industry Press pp141251 (in Chin

13、ese 劉盛綱, 李宏福, 王文祥 1985 微波電子學(xué)導(dǎo)論 (北京: 國(guó)防工業(yè)出版社 第 141251 頁(yè) L w 圖9 0.7 0.6 0.5 vpc 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.5 同軸圓盤(pán)加載波導(dǎo) 1.0 1.5 L 2.0 2.5 3.0 圖 10 兩種結(jié)構(gòu)色散特性的比較 4 結(jié) 論 本文采用多導(dǎo)體傳輸線分析方法推導(dǎo)了同軸 交錯(cuò)圓盤(pán)加載波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散方程, 用電磁仿 真軟件 Ansoft HFSS 對(duì)同軸交錯(cuò)圓盤(pán)加載波導(dǎo)慢 波結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果與理論結(jié)果符合良好, 從另一角 度證明了理論分析的正確性. 在此基礎(chǔ)上研究了結(jié) 構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)慢波結(jié)構(gòu)的影響, 結(jié)果表明: 減小

14、單位周期長(zhǎng)度可以明顯減弱結(jié)構(gòu)的色散, 增加結(jié)構(gòu) 的帶寬, 降低相速; 增加內(nèi)徑也可以減弱結(jié)構(gòu)的色 224101-7 物 理 學(xué) 報(bào) Acta Phys. Sin. 16 Wang W X 2009 Microwave Engineering Technology (Beijing: National Defence Industry Press pp4445 (in Chinese 王文祥 2009 微波工程技術(shù) (北京: 國(guó)防工業(yè)出 版社 第 4445 頁(yè) Vol. 63, No. 22 (2014 224101 17 Chen T S 1960 IRE Trans. Microw. The

15、ory Tech. 8 5 18 Ansoft HFSS Users Reference Ansoft Corp. http:/ www. ansoft. com. cn/ Dispersion characteristics of the coaxial interlaced disk-loaded waveguide slow-wave structure Wang Bing1 Wen Guang-Jun1 Wang Wen-Xiang2 1 (School of Communication and Information Engineering, University of Electr

16、onic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China 2 (School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China ( Received 12 May 2014; revised manuscript received 17 June 2014 Abstract The dispersion equation of the coaxial interlaced d

17、isk-loaded waveguide slow-wave structure is derived by the multiconductor transmission line method. The simulation results by HFSS are in good agreement with the calculation results obtained from the dispersion equation. Inuences of structure parameters on dispersion characteristics are discussed. I

18、t can be concluded that with the increase of inner conductor and the decrease of the period length, the bandwidth of the slow-wave structure becomes greater. The dispersion characteristics of the coaxial interlaced disk-loaded waveguide and those of the coaxial disk-loaded waveguide are compared. The results show that the coaxial interlaced disk-loaded structure can obtain a wide bandwidth and we