W波段平面集成行波管高频系统设计及验证.pdf

V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 理论设计W波段平面集成行波管高频系统设计及验证纪焕丽,杨金生,孙然,高畅(北京真空电子技术研究所 微波电真空器件国家级重点实验室,北京 )摘要:针对W波段平面一维阵列集成行波管设计,采用非半圆弯曲变形折叠波导慢波结构和聚焦极调制皮尔斯电子枪,基于C S T、MT S S和O p e r a软件优化设计了集成行波管高频系统和电子光学系统,实现了W波段低电压小电流工作的低功率行波管设计,通过周期永磁(P PM)聚焦系统制管验证了高频系统和电子枪设计的合理性.测试结果表明,行波管在工作电压 k V,工作电流 mA条件下,输出功率大于 W的带宽达到GH z,增益优于 d B,总效率优于,测试结果与设计结果具有较好一致性,为W波段行波管实现阵列集成提供技术支撑.关键词:W波段;行波管;折叠波导慢波结构;电子枪中图分类号:T N 文献标识码:A文章编号:()d o i:/j c n k i c n /t n D e s i g na n dV e r i f i c a t i o no fH i g h f r e q u e n c yS y s t e mf o raW b a n dP l a n a r i n t e g r a t e dT r a v e l l i n gW a v eT u b eJ IH u a n l i,YANGJ i n s h e n g,S UNR a n,GAOC h a n g(N a t i o n a lK e yL a b o r a t o r yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo nV a c u u mE l e c t r o n i c s,B e i j i n gV a c u u mE l e c t r o n i c sR e s e a r c hI n s t i t u t e,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:At r a v e l l i n gw a v et u b e(TWT)c o n s i s t so faf o l d e dw a v e g u i d es l o w w a v es t r u c t u r ew i t hm o d i f i e dc i r c u l a t o rb e n d s a n daP i e r c e e l e c t r o ng u nm o d u l a t e db y f o c u s i n ge l e c t r o d e i sd e v e l o p e d f o r p l a n a r i n t e g r a t e dr e s e a r c h T h eh i g h f r e q u e n c ys y s t e ma n de l e c t r o n i co p t i c a ls y s t e mo ft h ei n t e g r a t e dTWTa r eo p t i m i z e db yC S T,MT S S,a n dO p e r as o f t w a r e,a n dt h e l o w p o w e rd e s i g no fTWTw i t hl o wv o l t a g ea n dl o wc u r r e n t i sa c h i e v e d T h er a t i o n a l i t yo ft h eh i g h f r e q u e n c ys y s t e ma n de l e c t r o ng u nd e s i g ni sv e r i f i e dt h r o u g hap r o t o t y p e t u b ew i t hp e r i o d i cp e r m a n e n tm a g n e t(P PM)f o c u s i n gs y s t e m T h e t e s t r e s u l t so f t h eTWTs h o wt h a t a t av o l t a g eo f k Va n da c u r r e n t o f mA,t h eb a n d w i d t hw i t ha no u t p u t p o w e r o v e r Wr e a c h e s GH z,t h eg a i n i so v e r d Ba n dt h ee f f i c i e n c y i so v e r ,w h i c h i s i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ed e s i g n T h er e s e a r c hp r o v i d e sa t e c h n o l o g i c a l s u p p o r t f o r t h ea r r a y i n t e g r a t i o na p p l i c a t i o no fW b a n dTWT s K e y w o r d s:W b a n d,TWT,F o l d e dw a v e g u i d es l o ww a v es t r u c t u r e,E l e c t r o ng u n行波管相比于固态器件在功率、带宽、效率、散热等方面均具有较明显的优势,如能将行波管应用到有源相控阵系统上将很大程度上提高现有有源相控阵雷达的性能,相控阵系统对于末级功率放大器的尺寸要求,推动着行波管向更高频段微型化和阵列集成方向发展.年H u等首次提出了集成行波管的概念,报道了针对相控阵雷达应用的K u波段三注集成行波管的研究.年J o y e等针对毫米波行波管低电压高功率应用,采用电子注共用一个折叠波导慢波结构设计了K a波段多电子注集成行波管,实现了行波管低电压大功率.W波段(GH z)行波管在高速率通信、高分辨率雷达及深空探测等系统有重要应用 ,为满足有源相控阵系统对微型化和阵列集成W波段行波管的需求,开展W波段平面集成行波管的研究具有重要意义.真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S W波段平面集成行波管设计采用了多入多出一维阵列路平面集成方案,如图所示,采用分布式圆形电子注及分立高频系统,共享电极电子枪和收集极,共享平面周期永磁聚焦系统的总体拓扑结构设计.本文开展了W波段平面集成行波管高频系统的研究与设计,采用常规轴对称P PM聚焦系统制管,验证了高频系统和电子光学系统设计的合理性.图W波段平面集成行波管示意图慢波结构与高频系统设计 慢波结构设计W波段阵列集成行波管二维平面内路慢波结构并联且相互独立,本质上不构成高频冷特性的相互干扰,也不会构成高频动态电磁场间的耦合,因此,高频系统冷特性可通过单路高频系统进行仿真优化设计.基于现有W波段非半圆弯曲变形折叠波导慢波结构进行小型化改进,采用C S T软件进行慢波结构冷特性仿真分析,半周期p下的慢波结构色散、耦合阻抗和损耗特性随频率的变化情况图所示,可以看到,慢波结构色散特性对半周期p具有较强敏感性,随着p的减小,vp/c变化明显,耦合阻抗下降,高频损耗增加,但对色散强弱影响不大.0.2150.2200.2250.2300.235p=0.49p=0.48p=0.47p=0.461234567p=0.49p=0.48p=0.47p=0.46919293949596979899100 101 102 10360708090100110120p=0.49p=0.48p=0.47p=0.46abc/(dB/m)f/GHz919293949596979899100 101 102 103f/GHz919293949596979899 100 101 102 103f/GHzVp/c/图慢波结构不同半周期p下的冷特性参数随频率的变化关系为满足行波管功率、增益以及带宽的要求,综合色散平坦度、耦合阻抗以及高频损耗等特性,最终优化后选取的折叠波导慢波结构参数如表所示.根据表慢波结构参数仿真结果表明,在 GH z之间的慢波结构色散较弱,平坦性较好,中心频率 GH z处归一化相速v p/c约为 ,耦合阻抗K c约为 ;在 GH z频带内耦合阻抗范围为 .V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 图为慢波结构的布里渊色散特性曲线,选择工作电压为 k V.表优化后的慢波结构参数单位:mmabphrRi nRo u t 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750780608010012014016018012.6 kVf/GHz/()2ra2phbRoutRin图慢波结构色散特性曲线 高频系统设计基于慢波结构冷特性计算结果,采用一次切断和集中衰减器,并引入相速再同步技术提高高频线路的饱和输出功率,利用微波管模拟器套装软件MT S S对结构周期数、负跳变位置及幅度等参数进行注波互作用优化,高频系统有效互作用长度SL mm.行波管工作电压 k V,工作电流 mA时高频系统跳变前后输出功率和增益对比如图所示.对比结果表明,输出段采用相速跳变技术可有效提高整个频带内的输出功率和电子效率,在 GH z范围内,可以获得 W以上的输出功率,增益大于 d B;在 GH z频点处,输出功率提高了 ,行波管高频性能提升明显.基于上述高频系统设计,使用C S T粒子工作室进行P I C仿真计算,所得输出频谱如图所示,采用轴向均匀磁场聚焦,磁场幅值Bz设置为 G s,图中可以看出,在中心频率 GH z处输出信号频谱纯净,表明行波管未产生自激振荡或其它模式放大,行波管具有良好的输出特性,工作状态稳定.9293949596051015209293949596152025303540/dBPout/Wf/GHzf/GHzab图高频系统跳变前后输出功率和增益对比100200300400500600700800900100001234(94.1,3.92)/10-10f/GHzPort1Port496.456 mm图输出端口F F T频谱高频系统验证 电子光学系统设计阵列集成行波管采用分立圆形电子注结构,聚焦极调制电子枪的设计方案.基于单路高频系统冷特性及互作用特性仿真分析结果,利用电子光学设计软件O p e r a对单路电子枪结构进行优化调整.图为基于O p e r a软件建立的电子枪仿真模型及获得的电子轨迹图,阴极电压为 k V,电子注电流为 m A,射程为 m m,注腰半径约为 m m,发射电流密度为 A/c m,绝大部分电子都局限在半径为 mm电子注通道范围内,在Z向速度真空电子技术V A C UUME L E C T RON I C S 分布均匀,层流性较好.图基于O p e r a软件的电子枪仿真模型及其电子轨迹为验证高频系统和电子枪设计的有效性,采用常规P P M磁环聚焦进行制管验证.为此,需基于行波管工作电压V k V,工作电流I m A,电子注通道半径r mm,轴上峰值磁感应强度Bz G s等参数设计相应P PM聚焦系统.根据行波管工作原理,磁场参数与磁周期L的关系式为 BzLV()在电子注脉动可接受的情况下尽量选取较大L值,以便更好地发挥磁体性能,因此选取磁周期L mm,此时 .等离子体波长p为p V/rI/()式中,r mm,则p mm,p/L ,p/L大于,电子注脉动应足够小.基于O p e r a软件构建P PM聚焦系统模型,如图所示.得到电子注包络及电子注流通率随传输距离的变化如图所示,图中也给出了磁场Bz沿轴分布,以及电子注在X Z面和Y Z面包络的投影,可以看出电子注包络脉动较小,没有产生较多电子截获.在总长为 mm的电子注通道内,电子注流通率可保证在 以上.图基于O p e r a软件建立的轴对称P PM聚焦系统102030405060708090100 11099.099.399.699.9100.2/%/mmZ/mmr/mm(92.9,99.98)(115.3,99.93)YZXZBz1.00.5-1.01.0-0.5010 20 30 405060 708090 100 110 120图全周期磁场电子注包络及流通率变化 测试结果与分析搭建了行波管热测系统,在工作比下对行波管进行了测试,图为行波管热测系统照片.行波管工作电压为 k V,工作电流为 mA,动态流通率优于,整管效率大于,如图 所示.行波管输出功率和增益的测试与设计结果对比如图 所示,在 GH z频带内输出功率大于 W,带宽达到GH z,增益大于 d B;在 GH z处获得最高输出功率为 W,饱和增益为 d B.测试结果表明,行波管输出功率、带宽和增益均达到了设计目标要求,制管验证了高频系统设计的合理性和 电 子 光 学 系 统 设 计 的 有 效 性.实 测 数 据 与MT S S和C S T设计结果变化趋势基本一致,测试结果与仿真值存在一定偏差,这主要是由于高频系统仿真中未考虑输能系统高频损耗所致,输出功率仿真结果总体上高于测试结果约d B,符合W波段输能损耗经验值,测试结果的增益平坦性要优于仿真结果.图行波管测试系统照片V A C UUME L E C T RON I C S真空电子技术 181614121086491929394959697f/GHz/%图 整管效率919293949596970246810121416182051015202530354045TestCSTMTSSTestCSTMTSS/dBf/GHz91929394959697f/GHzPout/Wab图 输出功率和增益测试结果与仿真结果的对比结论本文介绍了一支针对W波段平面阵列集成行波管应用的低电压小电流行波管高频系统和电子光学系统设计与验证过程.基于C S T、MT S S和O p e r a软件优化设计了行波管高频系统和电子光学系统,并采用P PM聚焦系统制管验证了设计的合理性,该研究成果将为W波段一维阵列行波管平面集成奠定技术基础.参考文献胡银富,冯进军用于雷达的新型真空电子器件J雷达学报,():H uY,F e n gJ,L i uM,e t a lP r o g r e s so f a nI n t e g r a t e dTWTf o rP h a s e dA r r a yA p p l i c a t i o nC I n t e r n a t i o n a lV a c u u mE l e c t r o n i c sC o n f e r e n c e(I V E C),F r a n c e:P a r i s,:J o y eCD,V l a s o vA N,J a y n e sR,e t a l K aB a n dL o wV o l t a g eM u l t i p l e B e a m M i n i TWTJ I E E E T r a n s a c t i o n so nE l e c t r o nD e v i c e s,:F e n gJ,C a iJ,H uY,e ta l D e v e l o p m e n to fW b a n dF o l d e dW a v e g u i d eP u l s e dTWT sJ I E E ET r a n s a c t i o n so nE l e c t r o nD e v i c e s,():Y a n gJ,Z h a n gX,D uY,e t a l D e s i g no faM u l t i s t a g eD e p r e s s e dC o l l e c t o r f o rW B a n dP u l s e dT r a v e l i n gW a v eT u b e sJI E E E T r a n s a c t i o n so n E l e c t r o n D e v i c e s,:潘攀,字张雄,蔡军,等用于高速无线通信的毫米波行波管J电子学报,():陈辑,高畅,蔡军筒型重入式折叠波导结构W波段行波管研究J真空电子技术,():收稿日期:作者简介:纪焕丽(),女,河北沧州市人,工学博士研究生,高级工程师,主要研究方向为短毫米波行波管研制,E m a i l:j i h l t j u e d u c n.