回旋行波管介质加载结构色散特性测量范文

《微波学报》2015年第S1期

摘要:

文章研究了回旋行波管介质加载高频结构中TE01模式色散特性的测试方法，给出了测试结果并和理论计算进行比较，根据测试结果分析了色散特性对回旋行波管输出特性的影响，同时预测了互作用的输出特性并和实际测试结果进行了比较。

关键词:

回旋行波管，介质加载，色散特性，测量方法

介质加载结构作为回旋行波管的互作用结构［1-4］，可以很好地抑制振荡模式，工作性能稳定。在这种结构中波的色散特性相对于在理想波导中的色散特性会发生较大改变［5］。本文利用改变高频结构的长度从而改变相位的原理，对加载介质(ε=25+11j)高频结构的TE01模式色散特性的测量方法进行了研究。将测试结果和理论计算结果进行了比较，通过电子注的同步色散关系曲线，对采用此高频结构的回旋行波管的带宽和工作参数进行了预测，并和实际测试结果进行了对比。

1介质连续加载波导色散方程理论

如图1所示，因为工作模式定为TE01模，所以考虑采用部分介质连续加载的圆波导的情况，I区为真空区域，II区为介质加载区域。为了得到部分介质连续加载波导的色散方程，如图1所示，可将波导横截面分为介质区域和真空波导区域，然后在每个区域用位函数法求解场方程，最后利用边界场匹配方法求得色散方程。(2)式相当于部分介质连续加载波导中TE波及TM波单独存在时的色散特性，这就说明在m=0的情况下TE0n模及TM0n模可以单独存在。此时，求解(2)式可以得到表征不同混合模式的特征根γmn=αmn+jβmn。通过介质层的边界条件，可以求出混合模式中的电场和磁场分量的幅值，进而可以对不同混合模式的传播和损耗特性进行分析［5］。

2介质加载圆波导色散特性测试

2．1TE01模式转换器的确定这种耦合器通过标准矩形波导输入TE10模式，在同轴耦合腔产生足够强度和纯度的TE511模式。接着，在腔体内壁模磁场最大处开孔，能量以磁耦合的方式耦合到内圆柱波导，激励起所需模式TE01。其具体结构如图2所示，图3是利用HFSS模拟得到的场分布结构图，从图中可以看出，该模式转换器在腔体中得到了模式纯度很好的TE01模式。测试时，把两个TE01模式转换器对接如图4所示，图5是两个TE01模式转换器对接后得到的S21的传输情况。从图5中可以看出，频率在33．5～36．5GHz之间的插入损耗在1dB左右，可认为每个TE01模式转换器的插入损耗是0．5dB。为了验证TE01模式转换器在测试中的效果，先对被测试衰减材料的衰减特性进行理论与测试结果比较，根据γmn=αm+jβmn，被测试衰减材料介电常数ε=25+11j，根据(2)式计算得到衰减常数。衰减材料为圆环形状，套在园波导中形成介质加载结构，如图6所示。把介质加载结构置于两个TE01模式转换器之间，如图7所示。得到的衰减材料对TE01模式随频率的衰减量见图8。可以看出，理论计算衰减值、HFSS模拟衰减值和实际测量衰减值差别在1．5dB以内。因此，可以认为TE01模式转换器可以满足测试要求，在33．5～36．3GHz之外的频率候传输特性变得很差，反射也急剧增大，因此，对介质加载结构色散曲线的测量频率范围确定在33．5～36．3GHz之间，超出这个频率范围的测试结果是不可靠的。

2．2介质色散特性的实验测试图9是测试原理框图，把待测的介质加载高频结构置于两个TE01模式转换器之间(图7)。通过矢量网络分析仪得到各频率点的相位φ1。图10是在矢量网络分析仪上得到的相位图。在介质加载圆波导的中间加一段长度为L的衰减材料如图11所示，得到改变长度后的相位φ2，根据下式可以得到微波在介质加载圆波导里的传播常数β。

3介质加载圆波导色散特性测试结果分析

分别对周期性介质加载结构(如图12所示)和均匀加载结构(图6)进行了测试，为了方便比较，这里把根据(2)式计算得到的加载圆波导色散特性、测试得到的连续加载介质波导色散特性、周期性介质加载波导色散特性和理想波导色散特性放在一个坐标系内，如图13所示，图中横坐标kz为波的纵向波数。通过比较发现，理论计算的介质波导的色散特性和理想波导的色散特性34．2GHz以上比较接近。在34．2GHz以下，加载介质后的色散特性与未加载的色散特性出现较大分离，在原来理想波导的截止频率以下，传播常数不为零，而是个无限接近于零的极小值，即表示此时的波仍然能传播。这说明部分介质连续加载波导无明显的截止频率，只是在某一频率点附近出现传播常数的突变，该频率点略低于真空波导的截止频率。在近似处理的情况下，可以将该频率点看作是部分介质加载波导的截止频率。在周期性介质加载结构中(图12)，介质环和导体环交替放置，由于导体环的长度比起衰减材料的长度小得多，因此实际测量的连续介质加载的色散特性和周期性的色散特性比较接近，但是和理论计算时相比较有一定的差别，造成这种差别的原因:1)在真实的加载结构中，材料的不均匀性导致波在传输过程中会反射导致测试误差。2)介质介电常数和损耗角正切测试的误差导致计算误差。3)模式转换器对TE01模式转换的纯度不可能是100%，导致了测试误差。

和理想波导的色散曲线相比，加载介质后的波导呈现出两个特点:1)加载介质后波的色散曲线下移，波在介质中传播的相速度相对于在理想波导中的相速度降低，波的相速度被介质“延迟”了。2)比较介质加载圆波导色散和未加载的色散特性可以发现，加载后的色散曲线被“拉直了”更接近于“直线”。上述两个特点可以展宽回旋行波管的工作带宽，针对这个问题，这里给出回旋行波管电子注同步方程。在图13基础上根据(4)式可得到电子注的色散曲线，如图14所示。电子注的参数为电压63kV，磁场:1．235T，横纵速度比为1。由图14结合上面分析的特点(1)和(2)可知，加载介质后波的色散曲线可以在较宽的范围内和电子注色散曲线相切，拓宽了互作用的同步范围，因此可以提高互作用的带宽，从而较大地提高回旋行波管的工作带宽。由图14还可以知道，电子注的色散曲线和加载介质后波导的色散曲线33．5～35．5GHz的范围内都是“相切”的。对采用这种衰减材料作为高频结构的回旋行波管进行了测试。工作参数为电压63．5kV，电流:10A，横纵速度比:1，磁场:1．237T。测试得到的工作带宽从33．5～35．7GHz，与图14中预测的工作带宽基本吻合。

4结论

本文通过TE01模式转换器，利用改变介质加载段长度使得波的相位随之改变的原理，测试得到了TE01模式在介质加载结构内传播的色散特性，并且和理论计算值进行了比较。根据测试结果可知:(1)采用介质加载结构可降低波的相速度。(2)采用介质加载结构可使得波的色散曲线被“拉直”了更接近于“直线”，这样可以扩展互作用带宽。最后通过测试得到的色散特性预测了互作用特性，与实际测试结果吻合。

作者：王峨锋 曾旭 孙昊 冯进军 朱世秋 单位：中国电子科技集团公司第12研究所 微波电真空器件部级重点实验室