本文基于理論分析和數值模擬,對一個X波段重疊模工作的三間隙耦合輸出回路進行了分析計算。討論了總間隙阻抗與群時延之間的關系以及回路的群時延對總間隙阻抗的影響。通過合理優化群時延曲線,該X 波段三間隙耦合輸出腔在三模重疊的情況下獲得了1dB 輸出帶寬大于14.5 %(約1.3GHz) 的結果。

　　通常,傳統速調管采用的重入式諧振腔的幾何尺寸與工作波長成正比。當工作在較高的頻率范圍時,管子的腔體尺寸和間隙將會變得很小,進而限制了速調管的工作電壓和輸出功率。由于輸出回路是速調管微波能量輸出到負載的窗口,輸出腔中的能量密度比群聚腔和輸入腔都高且間隙電壓更大,甚至可能引起間隙的高頻擊穿。在高頻率下獲得大輸出功率是速調管研究的重要方向,多間隙耦合腔能夠有效降低單一間隙上電壓,是速調管向高頻大功率發展的一種新型互作用電路。

　　多間隙耦合腔是由若干個短的相互耦合的重入式諧振腔組成的。這種特殊的結構使回路的阻抗與腔中的間隙個數成正比,對提高線路阻抗和彌補電子注電導的減小起著重要作用,從而使速調管在高頻率范圍仍然具有較高的互作用效率和寬的工作頻帶。此外,多間隙腔增加了腔體的內表面積,使管子在高頻率工作時仍然具有較大的功率容量,有利于峰值功率和平均功率的提高。

　　國外的一些典型研究結果已經證實了多隙腔在兼顧高頻率、大功率和寬頻帶等方面特性的有效性。本文將在X 波段對一個采用重疊模工作的三間隙耦合輸出回路進行研究,探討三間隙腔在展寬頻帶方面潛力,并在模擬計算的基礎上對它的間隙阻抗進行分析計算。

1、三間隙輸出腔的計算模型及結構分析

　　圖1 為三間隙耦合輸出腔的結構示意圖,其中t 為腔間壁厚, L 為相臨兩間隙距離, R 為腔半徑,Rb 和Rd 分別為漂移管內、外半徑, g 為間隙距離, b為輸出矩形波導窄邊尺寸,采用腰形耦合槽,D 為耦合槽寬度, Rs 為耦合槽中心線半徑,兩耦合槽的角度分別為θ1 和θ2 (圖中未示出) 。該三間隙耦合輸出回路可等效為一個四端口網絡,如圖2 所示。其中端口1～3 代表三個間隙,端口4 代表輸出波導。在某一給定頻率,端口電壓和電流可由下式聯系起來:

圖1 　三間隙耦合輸出腔的結構示意圖　　圖2 　三間隙耦合輸出回路的等效四端口網絡

　　式中i , j = 1 , ⋯,4 , Zij是線路阻抗,它將端口i 的電壓和端口j 的電流聯系起來。如果輸出波導接匹配負載, 則V4 = - I4 Z0 , Z0為波導端口的特性阻抗,代入式(1) 可以得到如下關系式。

　　其中:

　　在速調管理論中, 以ζij為矩陣元的3 ×3 矩陣稱為耦合三間隙輸出回路的阻抗矩陣, 其頻率特性是速調管寬帶輸出回路重要的性能指標。

　　分析雙間隙耦合輸出回路間隙阻抗矩陣的頻率特性,一般采用冷測或模擬計算的方法。本文將利用無耗互易條件, 采用三維模擬軟件AnsoftHFSS 分析和計算三間隙耦合輸出回路的群時延和阻抗矩陣頻率特性。

　　限于篇幅，文章第二章節的部分內容省略，詳細文章請郵件至作者索要。

4、結論

　　本文通過Ansoft HFSS軟件模擬的手段,在X 波段設計了一個三模重疊的三間隙耦合輸出腔,討論了群時延和間隙阻抗之間的相互關系,分析了群時延對間隙阻抗頻率特性的影響,找到了利用群時延控制間隙阻抗頻率特性的方法。通過對群時延特性的合理控制,獲得了總間隙阻抗隨頻率變化曲線具有良好的等波紋響應,通過重疊模協同工作,獲得了- 1dB輸出帶寬大于14.5 %良好結果。