Ka波段TE01模回旋行波管的輸入耦合器將矩形波導中輸入的TE10模轉化為圓波導中TE01模的行波場,以實現對回旋電子注角向速度的調制。本文首先對Ka波段TE01模回旋行波管的輸入耦合器進行了解析分析和數值計算。通過數值計算得到輸入耦合器的初步結構和尺寸,然后利用三維高頻分析軟件HFSS進行精確的模擬和修正。通過優化設計在Ka波段獲得了3 dB帶寬約為3 GHz,1 dB帶寬大于2GHz的高性能TE1□0-TE4◎11-TE0○1輸入耦合器和3 dB帶寬約為3.5 GHz,1 dB帶寬約為3 GHz的高性能TE1□0-TE5◎11-TE0○1輸入耦合器。冷測實驗研究表明優化設計結果與冷測結果相吻合。

　　The broad-band input coupler of Ka-band TE01 mode gyro-traveling wave tube(TWT),was designed,which transforms the TE01 mode in the rectangular waveguide to TE01 mode in the circular inner waveguide.The TE01 mode modulates the transverse velocity of the electron beams in the gyro-TWT.The design involved three stages.First,the input coupler was approximated,modeled,and calculated to get the preliminary results of interest,including its structures and sizes,etc.Second,the preliminary results were simulated and modified to improve the approximation,with the 3-dimensional,high frequency structure simulation(HFSS Code) software package.Finally,two types of the input coupler were designed and fabricated based on structure optimization.One was the optimal TE□10-TE◎411-TE○10 input coupler,meeting the design requirements of 3 dB bandwidth of about 3 GHz,and 1dB bandwidth of over 2 GHz;the other TE□10-TE◎511-TE○10 input coupler,3 dB bandwidth of about 3.5 GHz,and 1dB bandwidth of approximate 3 GHz.The results of the designed were found to agree fairly well with the cold test results.

　　回旋行波管在毫米波波段與普通行波管相比,具有高功率的特點; 與普通速調管相比, 具有功率、寬頻帶的特點。它在毫米波成像雷達、毫米波通信系統以及電子戰等領域有著十分重要的應用前景, 因此在國際上倍受重視。輸入耦合器是回旋行波管的核心部件之一。回旋行波管利用輸入信號對回旋電子注進行速度調制, 由于相對論質量效應使其逐漸形成角向群聚, 在注-波互作用中交出能量, 產生高功率毫米波輸出。輸入耦合器是完成輸入信號模式變換并對回旋電子注進行能量或速度調制的高頻器件, 與電子注的群聚狀態密切相關。輸入耦合器設計的好壞直接影響著回旋行波管的互作用效率、增益、帶寬等性能。為了實現較高的模式轉化效率, 展寬其頻帶, 同時有效地抑制寄生模式,輸入耦合器的結構較復雜, 因此, 要對其進行精確計算是非常困難的。國外多采用高頻結構模擬( HFSS)軟件進行分析和計算, 但單獨采用HFSS 對需要大量結構尺寸分析計算和調試的輸入耦合器進行初步設計是極不方便的, 且結構尺寸的調整較為麻煩。因而本文首先對回旋行波管的輸入耦合器進行近似的解析分析, 并編制計算程序, 1 min 內就能完成一種結構尺寸設計, 同時輸入耦合器的結構尺寸調整也極為方便。在完成輸入耦合器的初步設計后, 再用HFSS 軟件加以精確模擬, 對近似分析計算進行修正、優化, 達到輸入耦合器的設計要求, 大大地縮短了輸入耦合器設計周期。

　　本文介紹了Ka 波段TE01模回旋行波管的輸入耦合器設計方法。在獲得輸入耦合器的初步結構尺寸后, 再借助HFSS 對輸入耦合器的結構參數進行優化, 大大縮短輸入耦合器的設計周期。通過優化設計在Ka 波段獲得了3 dB 帶寬約為3 GHz, 1 dB 帶寬大于2 GHz 的高性能輸入耦合器和3 dB 帶寬約為3􀀁5 GHz, 1 dB 帶寬約為3 GHz 的高性能 輸入耦合器。研究表明: 耦合縫偏移5􀀁小角度對輸入耦合器的性能影響不大,可見焊接時對耦合縫的定位精度要求不高; 輸入耦合器的3 dB 帶寬對耦合縫的尺寸比較敏感, 這就要求加工制作耦合器時要嚴格控制耦合縫的加工精度; 5 縫輸入耦合器的傳輸特性優于4 縫輸入耦合器; 5 縫輸入耦合器的模式純度比4 縫輸入耦合器的模式純度要高。通過與冷測實驗比較, 證明該設計方法是合理的。利用該設計方法設計的寬帶輸入耦合器已成功地應用到我們研制的回旋行波管樣管中, 并在Ka 波段獲得了40 dB 的增益, 大于2 GHz的輸出帶寬的熱測結果。