W波段回旋行波管输入输出窗的设计

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摘 要： 根据实际工程需要，对回旋行波管的输入窗和输出窗结构分别进行了理论分析，选取蓝宝石作为窗片材料，通过HFSS进行了仿真及优化。仿真结果表明，输入窗采用传统的盒型结构在92.6～100 GHz频段范围内，S11小于-20 dB，同时S21大于-0.08 dB，传输效率达到98%以上，有效带宽达到7.4 GHz。输出窗采用新型双窗片结构，并且对双窗片结构进行了理论分析。仿真结果表明，在92～101.1 GHz的频段范围内，S11小于-20 dB，同时S21大于-0.08 dB，有效带宽达到9.1 GHz，带宽比传统的单窗片结构提高了近3.4 GHz。

关键词： 回旋行波管； 盒型输入窗； 双窗片输出窗； HFSS

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0138?02

0 引 言

回旋行波管是一种新型的高功率毫米波器件，它具有宽频带、高功率和高增益等显著优点，在电子战、毫米波雷达和粒子加速器方面有着重要的应用前景。输入窗和输出窗作回旋行波管的关键器件，其性能的好坏直接影响到回旋行波管的增益、互作用效率以及输出功率。对于它们的研究有着重要的实际价值。

窗片的有两个作用：

（1）保证电真空器件的真空度；

（2）传输信号。

制备窗片的材料必须能够承受一定的大气压力差，还有热膨胀引起的机械压力。

窗片对信号的反射升高，对于输入窗，则会降低整管增益；而对于输出窗则会引起自激振荡，降低输出功率和模式纯度。

根据实际的工程设计情况选择蓝宝石作为窗片材料，因为它的介电损耗小、机械强度高、结构均匀密致以及耐温度程度高[1?3]。

1 盒型输入窗

1.1 理论分析

图1（a）所示为盒型窗的场图及其结构，主要包括输入波导、圆波导（可伐或者蒙乃尔环）、窗片和输出波导，其中输入/输出波导均为BJ900标准波导。

盒型窗具有结构简单、工作频带宽和功率容量大的特点，在工艺上也比较成熟，因此选择盒型窗作为输入窗结构。

对于盒型窗的分析可以采用等效电路的方法[4]，图1（b）给出了等效电路图，d为窗片厚度，L为圆波导厚度，ZC1为电磁波在窗片中的特性阻抗，ZC2为电磁波模在圆波导中的特性阻抗，ZC3为TE10模在输入/输出波导中的特性阻抗，C1为圆波导引起的阶跃电容，C2是由于加入窗片而产生的电容，以上特性阻抗和电容均可以通过波导结构和工作频率来确定。

1.2 仿真结果

从图2所示的仿真结果可以看出，盒型输入窗在92.6～100 GHz频带范围内，S11小于-20 dB，同时S21大于-0.08 dB（传输效率达到98%），有效带宽为7.4 GHz。

2 输出窗

2.1 理论分析

输出窗片对于工作模式的反射过高，反射回来的电磁波将对电子注的工作状态产生扰动，影响注波换能，甚至导致电子注不能被收集极有效收集，进而存在打坏窗片的危险，另外也可能产生其他振荡现象的出现，引起回旋行波管不能稳定有效地实现功率输出[1?3，5]。

单、双窗片输出窗的结构示意图如图3所示，窗片厚度和直径分别为[d]和[Φ]，材料为蓝宝石[ε=10，μ=1]，两边分别为真空或空气，其磁导率和介电常数均为[μ0]和[ε0]。

对于单窗片输出窗，电磁波在窗片中来回反射一次前后的相位差为：

[δ=2d（2πfc）2ε-（2χ01Φ）2+π] （1）

式中：[χ01]为TE01模的特征根；[π]为半波损耗；[f]为工作频率，[c]为光速。

根据相位叠加相消原理，当[δ=（2n+1）π，]n=1，2，…时，反射信号不进入互作用区，当[f]取95 GHz时，可以得到窗片厚度[d]的参考值为

[d≈n×0.52 mm， n=1，2，3，…] （2）

为了降低到窗片对功率的吸收，[n=1]。对于双窗片输出窗，窗片厚度[d1]和[d3]与单窗片的计算方法相同，两窗片之间的距离[d2]的参考值为：

[d2=14λg] （3）

式中[λg]为95 GHz的TE01模的波导波长。

2.2 仿真结果

图4为采用上述计算参数优化后的单双窗S参数模拟结果，单窗片输出窗在92.7～97.4 GHz的频带范围内，S11小于-20 dB，同时S21大于-0.08 dB（传输效率达到98%以上）；满足同样的设计指标时，双窗片结构的频带范围则为92～101.1 GHz。

对比可知双窗片的带宽比单窗片提高了近3.4 GHz，该现象出现的主要原因是由于第二层窗片的引入抵消了部分反射波，从而带宽得到了明显的拓展。

3 结 语

本文在理论上对回旋行波管的输入/输出窗结构进行了分析，并且利用高频仿真软件HFSS进行优化设计。输入窗的设计采用盒型窗结构；对于输出窗的设计，文中采用双窗片结构并且与单窗片进行了对比分析。输入窗和输出窗在工作模式TE01的传输特性上，有效带宽分别达到了7.4 GHz和9.1 GHz，两种结构在整个工作频段内均达到了设计要求。

参考文献

[1] 徐寿喜，张世昌.8 mm回旋速调管放大器高频窗的设计[J].微波学报，2005，21（1）：45?49.

[2] 张新仁，刘濮鲲，徐寿喜.3 mm回旋行波管高频窗的设计[J].微波学报，2008，24（5）：48?52.

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[4] WADE J D， MACPHIE R H. Scattering at circular?to?rectangular waveguide junctions [J]. IEEE Trans. on Microwave Theory Tech， 1979， 34（11）： 1085?1091.

[5] 徐勇，熊彩东，罗勇，等.高功率毫米波回旋行波管宽带输出窗设计[J].微波学报，2011，27（4）：13?17.

[6] 滑文强，罗勇.Ku波段螺旋波纹波导回旋行波管色散特性研究[J].现代电子技术，2012，35（1）：104?106.