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140GHz菱形微带曲折线慢波结构行波管的模拟计算

来源:飒榕旅游知识分享网
第24卷第1期 强 激 光 与 粒 子 束 Vo1.24,NO.I 2012年1月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Jan.,2012 文章编号:1001—4322(2012)01—0139—03 1 40 GHz菱形微带曲折线慢波 结构行波管的模拟计算 沈 飞, 魏彦玉, 许 雄, 徐 进, 巩华荣, 黄民智, 宫玉彬, 王文祥 (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: 提出了一种新型的菱形微带曲折线慢波结构。该结构可适用于低电压、宽带宽、中等功率水平 的高效率毫米波行波管。和传统的慢波结构相比,微带曲折线是一种平面结构,因此其加工工艺可采用2维微 细加工技术。该结构可以用带状电子束进行注一波互作用,并且不需要额外的电子束通道。给出了菱形微带曲 折线慢波结构在140 GHz的色散曲线和注一波互作用模拟分析。研究结果显示:在输入功率为40 mW,带状电 子束的电流和工作电压分别为90 mA和7 kV的条件下,该微带曲折线行波管可以获得数十w功率输出,互 作用效率可达14.3 ,瞬时3 dB带宽为18 GHz(132~150 GHz)。 关键词:菱形微带曲折线;慢波结构;行波管;微细加工 中图分类号:TN125 文献标志码: A doi:10.3788/HPLPB20122401.0139 随着未来空间技术的飞速发展,相控阵雷达、微波中继通信系统、小型机载干扰设备等微波系统中迫切需 求结构工艺简单、工作电压低、小体积的紧凑型行波管_1 ]。因此,探索基于微电子机械系统(MEMs)技术_4 制 造的、并且可与带状电子注互作用的新型行波管慢波电路,已成为小型化行波管的主要发展方向之一。微带曲 折线慢波结构是一种新型的2维慢波结构,它是由单根微带线在介质平板上按一定空间周期重复排列下去,并 将相邻微带线在传播方向上交替连接而形成的平面慢波电路,有时又被称为平面曲折线。其加工工艺可采用 2维MEMS技术。目前,国内外对微带曲折线慢波结构的研究主要集中在传统的直角形微带曲折线慢波结 构l_5。]。为了开发微带曲折线慢波结构在亚毫米波段的应用,我们提出了一种新型的菱形微带曲折线慢波结 构 ]。本文利用电磁仿真软件HFSS对菱形微带曲折线慢波结构的色散特性和耦合阻抗进行了分析,最后利 用CST的粒子工作室对该慢波结构的注一波互作用进行模拟计算。 1 菱形微带曲折线慢波结构的高频特性 图1为菱形微带曲折线慢波结构(SWS)的模型图。该结构由两个V形微带线慢波结构进行并联连接,即 由菱形微带曲折线、菱形介质支撑杆和金属屏蔽腔构成。其中,a是金属屏蔽腔的横截面宽度;h是金属屏蔽 腔的横截面高度;h 是介质支撑杆的厚度。菱形慢波结构的结构参数尺寸如图2所示。其中,6是慢波结构的 Fig.1 Model of rhombus—shaped microstrip Fig.2 Dimensional parameters of rhombus—shaped meander-line SWS microstrip meander-line SWS 图1菱形微带曲折线SWS模型图 图2平面结构尺寸图 *收稿日期:2011-1卜04; 修订日期:2011-12—04 基金项目:国家自然科学基金项目(60971038);国家杰出青年科学基金项目(61125103) 作者简介:沈飞(1983一),男,博士研究生,主要从事微带曲折线慢波结构的研究;ricksf@qq.corn。 通讯作者:魏彦玉(1971一),男,教授,博士生导师,主要从事微波电子学、太赫兹电子学的研究;yywei@uestc.edu.cn。 140 强 激 光 与 粒 子 束 第24卷 横向宽度;P是慢波结构的周期长度; 是相邻微带线之间的夹角;叫是微带线的宽度;S是相邻两个慢波结构 zl{D/ 0【10j口9J 之间距离的一半。 通过电磁仿真软件HFSS,对慢波结构的各尺寸进行了优化,优化后的结构参数为:n一1.38 ITlm, 一0.34 mrn,hd—O.04 iTtm,6—0.69 mln, —O.095 mm, 一8。,叫一0.02 mm,sz0.001 Inm。基于这些优化了的慢波 结构尺寸参数,计算了该慢波结构的色散特性和耦合阻抗,结果如图3和图4所示。 frequency/GHz Fig.3 Dispersion curve of rhombus-shaped microstrip meanderqine SWS Fig.4 Interaction impedance curve of rhombus—shaped microstrip meander-line SWS 图3菱形微带曲折线的色散曲线 图4菱形微带曲折线的耦合阻抗 2 菱形微带曲折线行波管的粒子模拟结果 基于以上高频特性模拟所得到的慢波结构各尺寸参数优化值,通过粒子模拟的方法计算了菱形微带曲折 线行波管在140 GHz频段的性能。整个互作用电路总计有225个周期,每个周期的长度为0.095 mrn。为了 在一定的电气参数下获得尽可能大的增益并抑制返波振荡,用4个衰减器将整个互作用电路分割成5小段。 模拟计算中所采用的是具有较高电导率的金属铜,在考虑了表面粗糙度后,我们将其电导率设置为2.2×10 aMS/m_9 ;介质支撑杆所采用的材料是氮化硼,介电常数为4_】 。带状电子束的电流和电压分别设置为9O mA 和7 kV,激励信号功率为40 mw,聚焦系统采用的是0.7 T的均匀磁场。图5和图6分别给出了143 GHz频 率点的输入、输出信号图及输出信号的频谱图。由图5可以看出,输出信号在1.5 ms时达到稳定,这表明注一波 互作用已经达到稳定状态;从图6可以看出,从0 ̄300 GHz的频带范围内输出信号的频谱都相当的纯净。图 7给出了菱形微带曲折线行波管在130 GHz到150 GHz的频带范围内的功率输出,从图中可以看到,互作用 的峰值输出功率为90 w,相对应的增益和电子效率分别为33.5 dB和14.3 ,瞬时3 dB带宽为18 GHz。 壹 言 趸。 l o time/ns frequency/GHz Fig.6 Spectrum of output signal fequency/GHz Fig.7 Output power versus frequency Fig.5 Input and output signals 图5 输人、输出信号图 图6输出信号频谱图 图7输出信号幅频特性曲线图 3 结 论 本研究对菱形微带曲折线慢波结构的高频特性及注一波互作用进行了模拟计算。从计算结果可以看出,菱 形微带曲折线慢波结构是一个有潜力工作于毫米波、亚毫米波段的新型低电压、宽频带、高增益的微带慢波结 构。模拟计算中由于所设计的带状电子束的束流密度较低,因此采用的聚焦磁场也仅为0.7 T。这比单V形 微带曲折线慢波结构所采用的聚焦磁场要低得多,因此这一改进也极大地降低了实际应用中聚焦磁场的设计 第1期 沈 飞等:140 GHz菱形微带曲折线慢波结构行波管的模拟计算 141 难度。 参考文献: [1]付成芳,魏彦玉,蒋艺.矩形螺旋线行波管注一波互作用3维模拟[J].强激光与粒子束,2011,23(5):1341—1345.(Fu Chengfang,Wei Yanyu, Jiang Yi.3D simulation of beam wave interaction of rectangular helix traveling—wave tube.High Power Laser and Particle Beams,201 1,23 (5):l341-1345) [2]Fu C F,Wei Y Y,Wang W X,et a1.Dispersion characteristics of a rectangular helix slow—wave structure[J].IEEE Trans on Electron Devices,2008,55(12):3582—3589. [3]冯进军,蔡军,胡银富,等.折叠波导慢波结构太赫兹真空器件研究[J].中国电子科学研究院学报,2009,4(3):249—254.(Feng Jinjun,Cai Jun,Hu Yinfu,et a1.THz vacuum electronics devices using folded waveguide slow wave structure.Journal of China Academy of Electronics and Information Technology。2009,4(3):249—254) [4]Booske J H.New opportunities in vacuum electronics through the application of microfabrication technologies EC]//Proc IEEE Int Vac Electron Conf.2002:11—12. [5]张大勇,冯进军,廖复疆,等.微带型曲折线慢波结构冷测特性的计算机仿真[J].电子器件,2006,29(4):1223—1226.(Zhang Dayong,Feng Jinjun,Liao Fujiang,et a1.Cold—test characteristics simulation of microstrip meander-line slow wave structure.Chinese Journal of Electron Devices,2006,29(4):1223-1226) [63 Sengele S,Jiang H R,Booske J H,et a1.MicroIabrication and characterization of a selectively metallized W band meander—line TwT circuit [J].IEEE Trans on Electron Devices,2009,56(5):730—737. I-7]Zhang D G,Yung E K N,Ding H Y.Dispersion characteristics of a novel shielded periodic meander line[J].Microwave and Optical Technology Letters,1996,12(1):1-5. [82 Shen F,Wei Y Y,Yin H R,et a1.A novel V shaped microstrip meander—line slow—wave structure for W band MMPM[-J].IEEE Trans on Plasma Science,2O11. [9]Gong Y B,Yin H R,Yue L N,et a1.A 140 GHz two beam overmoded folded-waveguide traveling wave tube[J].IEEE Trans on Plasma Science,20l1,39(3):847-85l_ [10]Zhang C,Stevens G C.Dielectric properties of boron nitride filled epoxy composites[C]//Proc IEEE Conf on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena.2006:19—22. Simulations of rhombus—-shaped microstrip meander。-line slow。。wave structure for 140 GHz traveling—wave tube Shen Fei,Wei Yanyu,Xu Xiong,Xu Jin, Gong Huarong,Huang Minzhi,Gong Yubin, Wang Wenxiang (National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Electronics, University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610054,China) Abstract: A rhombus—shaped microstrip meander-line slow—wave structure is proposed for use in a low voltage,wide band— width,moderate power and high efficiency millimeter—wave traveling—wave tube.The structure is evolved from the original V— shaped microstrip meander-line slow-wave structure.Compared with the conventional slow-wave structure,it is a kind of planar structure,whose fabrication can be easily realized by utilizing the technology of 2-D micro—fabrication.What’s more,the structure can realize beam—wave interaction with sheet electron beam,and no additiona1 electron beam channel is needed.The electromagnetic characteristics and the interaction between the sheet electron beam and slow wave in the structure are obtained by utilizing the electromagnetic simulation software HFSS and the particle—in-cell code in CST Particle Studio,respectively.Our calculations indicate that,at a beam voltage of 7 kV and a beam current of 90 mA.the traveling wave tube based on the structure is capable of delivering several tens of watts output power with an interaction efficiency of 14.3 of 18 GHz(ranging from 132 GHz to 150 GHz) and a transient 3 dB bandwidth Key words: rhombus—shaped microstrip meander—line; slow-wave structure;traveling—wave tube; micro—fabrication 

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