苜蓿叶形耦合腔慢波结构的模拟和验证

苜蓿叶形耦合腔慢波结构的模拟和验证 第29卷第8期 2007年8月 电子与信息 JournalofElectronics&InformationTechnology V01.29No.8 Aug.2007 苜蓿叶形耦合腔慢波结构的模拟和验证 周华霞??张兆传?范俊杰?李实? f中国科学院电子学研究所微波器件中心北京100080) (中国科学院研究生院北京100039) 摘要:苜蓿叶形耦合腔慢波结构是一种高耦合阻抗的慢波线.由于结构复杂,其数 学分析及工程设计都非常困难. 该文利用三维电磁计算软件Isfel3d,Mafia,HFSS对这种结构的色散特性,耦合阻抗 进行数值模拟,在分析模拟 结果的基础上,对这种结构做了初步的优化.结果表明,数值模拟与实验结果有很 好的一致性,这对改进这种慢波 线的工程设计具有重要意义. 关键词:慢波结构;苜蓿叶形耦合腔;色散特性;耦合阻抗 中图分类号:TN124文献标识码:A文章编号:1009—5896(2007)08—2023—03 SimulationandVerificationofClover-LeafCoupledCavity Slow.厂ayeStructure ZhouHua—xia??ZhangZhao—chuan?FanJun—jie?LiShi? ?(InstituteofElectronics,ChineseAc0demyofSciences,Beijing100080,China) ?(GraduateSchoolofChineseAcademyofsciences,Beijing100039,China) Abstract:Clover—leafcoupledcavityisakindofslow— wavestructureofhighinteractionimpedance.The mathematicanalyseandtheengineeringdesignareverydifficultforitscomplexstructure.Int hispaper,three- dimensionalsimulationcodesIsfe13d,Malia,HFSSal-eusedtodeterminethedispersionand interaction impedance.Basedonanalyseofsimulateresults,thecoupledcavityslow-wavestructureisop timizedprimarily.The simulationresultsisconsistentwiththemeasurementresultsandissignificanttodesignofthes low—wavestructure. Keywords:Slow—wavestructure;Clover—leafcoupledcavity;Dispersion;Interactionimpedance 1引言 中小功率的行波管一般采用螺旋线慢波结构.在大功率 行波管中,由于散热等问题不能很好地解决,螺旋线及其变 态系统的应用受到限制.而耦合腔慢波结构尺寸大,散热性 能好,也可以在高电压下工作,能够得到很高的平均功率, 脉冲功率及很高的增益,目前被广泛应用于大功率行波管. 由ChodorowJ等人提出的苜蓿叶形慢波回路,就是一种耦 合腔慢波结构,工作于基波,与常用的耦合腔慢波结构相比, 具有更高的耦合阻抗.高耦合阻抗,就意味着高效率,高增 益.在国内,已有研究工作者将苜蓿叶形耦合腔慢波结构应 用于高功率微波放大器件中. 由于苜蓿叶形慢波回路腔体结构的复杂性,很难由场论 分析法直接计算得到其高频特性,也难以定量地解决该系统 的设计计算问题.利用软件模拟耦合腔慢波结构,计算得到 慢波特性数据的方法,称为软件冷测.它避免了解析模型中 的假设条件,提高了求解精度,节省了加工和测量时所花费 的人力,时间和费用,且对回路的生产设计具有重要的指导 意义. 目前,对耦合腔慢波回路高频特性的计算机模拟多选休 2005—11-16收到,2006—05—18改回 斯结构,且采用Mafia软件I4J.本文运用Isfel3d,Mafia, HFSS等软件对苜蓿叶形慢波回路的色散特性,耦合阻抗进 行模拟.对色散特性的模拟,采用测试不同相移角度对应着 相应谐振频率的谐振法}5J,对耦合阻抗的模拟采用于腔体中 置入微扰棒后得到微扰频率变化值的微扰法,最后得到了与 实验冷测值十分接近的模拟结果. 2苜蓿叶形幔波结构 苜蓿叶形慢波线是一段周期性加载的圆波导传输线,如 图1,为慢波线中两个周期结构的平面图,由4个圆柱形耦 合腔体和4个耦合缝隙叶片构成.由图可见,在相邻两腔的 公共壁,即图1fd)所示的耦合缝隙叶片上开有8个径向缝隙. 而每一个腔体内都有4个金属突出物,如图1(c)所示,此4 个突出物的角向位置每相邻两腔均相差45.. 金属突出物的存在,一方面使原来是环形的磁力线出现 了径向分量,从而通过径向缝隙耦合到另一腔中去;另一方 面由于相邻两腔中金属突出物的角向位置相差45.,这样就 使相邻两腔中的磁场穿过同一缝隙的角向分量反向,从而实 现了负电感耦合.苜蓿叶形耦合腔慢波结构的第一通带为腔 体通带,而且具有正色散前向基波,并且有较高的耦合阻抗. 电子与信息第29卷 E (a) 揣合腔 E/lD耦合缝隙叶片 (1j) 0o(c)耦台腔体结构_,J意图((1)祸台缝潜州片D结构意 图1苜蓿叶形慢波结构的平面图 3模拟方法 3.1色散特性 运用软件对慢波结构高频特性进行模拟,采用谐振法. 对苜蓿叶形慢波回路进行实体建模,在直角坐标系下建立了 3个耦合腔体结构模型,如图2所示.耦合腔体及耦合缝隙 叶片的具体尺寸如图3所示. 在采用谐振法模拟其色散特性时,分别在腔体的镜像对 称面处设置不同的电壁或磁壁,耦合腔的镜像对称面通常就 在腔的两个端面处,即图2所示的—面,伊B面.由谐 振法理论可知,当慢波电路的长度为半波长的整数倍时,可 得到对应驻波的谐振频率,因此在给定慢波电路的周期数 B \ \ ——-一 一, \一\ ;\\ B 图23个耦合腔体截面图 ,\ }'入/ (a)耦台腔体结构尺寸(b)耦合缝隙叫片结构尺寸 图3耦合腔体及耦合缝隙叶片具体尺寸 下,可得到谐振频率与相移角度之间的对应关系.在苜蓿叶 形慢波电路中电子注与基波发生互作用,于是得到腔模下3 个慢波电路周期数对应的不同边界条件与相移角度之间的 关系,见表1. 表1不同边界条件与单腔相移角度之间的关系 边界条件每腔相移() electric/electric Magnetic/electric ?/3,2??3,? |,/2,5| 根据表1所示的边界条件进行计算,得到不同边界条件 下前3个模式的谐振频率,与相应的3个相移角度之间有一 一 对应关系,由此计算电路的色散特性,其计算公式为 =u/2不,/2不fL/(1) 其中为电磁波的相速度,u为慢电磁波的角频率,为 电磁波在周期慢波系统中的传播常数,l厂为模拟计算得到的 谐振频率,L为耦合腔单周期长度,为与,对应的相移角 度. 3.2耦合阻抗 耦合阻抗基本计算公式为 = /2,(2) 其中为竹次空间谐波的纵向电场幅值,,为平均功率 流,为竹次空间谐波的传播常数,可表示为:=+ 21rn/L.其中为基波相位常数. 对耦合阻抗的模拟采用微扰法.在腔体的中心轴线处放 置一个圆柱形介质棒,然后计算腔体受到微扰后本征频率的 偏移,并通过一定的计算公式-5J得到耦合阻抗的值.竹=0, 基波耦合阻抗公式为 式中为真空中介电常数,E为介质棒介电常数,F为微 扰杆横截面面积,为基波的传播常数,?,为微扰前后谐 振频率的偏移值,为群速,可由色散曲线的斜率求得. 4模拟结果与讨论 4.1色散特性 运用Isfel3d,Mafia,HFSS等软件采用谐振法模拟苜蓿 叶形慢波结构的色散特性.利用理想边界条件来计算其色散 特性,在耦合腔两端面处设置理想的电壁和磁壁,分别计算 得到前3个模式的的谐振频率,对应着相应的相移角度,由 式(1)可求解耦合腔慢波结构腔模的色散特性. 对色散特性的实验测试采用与模拟相同的谐振法.将 34 菖32 兰加 28 2060i00140180 p(.) 图4实验结果与模拟结果的色散特性对比图 2 一: 第8期周华霞等:苜蓿叶形耦合腔慢波结构的模拟和验证 Isfel3d模拟值,Mafia模拟值,HFSS模拟值与实验测 试值相比较,对比结果见如图4由图可知,模拟值与实验 值很接近,有着相同的变化趋势,且Isfel3d模拟值更接近实 验值,色散特性的平均误差小于O.O3%. 4.2耦合阻抗 采用Isfel3d软件计算出微扰前后的频率变化值,将其和 由色散特性模拟计算得到的群速值代入式(3)计算得到耦合 阻抗.改变微扰杆的直径,分别将杆半径设为2.5ram, 3.5ram,微扰杆选用介电常数E为2.1的聚四氟乙烯杆,得 到不同的耦合阻抗曲线.对耦合阻抗的实验测试采用与模拟 相同的微扰法,微扰杆半径取25ram.最后,将模拟值与实 验结果相比较,见图5. 260 200 14() 8() 20 — -_T(~t(1at +Isfel3(1,25nlnl +Isfcl3d,=:}.5mm 9011(J130150 L(.) 图5模拟结果与实验结果的耦合阻抗对比图 由图可知,微扰杆直径越小,得到的耦合阻抗模拟结果 越接近实验测试值,当微扰杆半径取为2.5mm时,其平均 误差小于8%. 5场分析及结构优化 用Isfel3d软件对苜蓿叶形耦合腔回路进行模拟,从后处 理模块分辩出腔模各低次模式,其磁场分布结构如图6所示. 其场分布与文献『61中给出的苜蓿叶腔模磁场分布理论图十 分吻合.由图可见,对于基波,TMn1n模,在8个隙缝上磁 场耦合均是负的,具有最大的负电感耦合,所以这种主模式 的通带最宽,苜蓿叶形慢波结构工作于此模式.对于TM110 模,耦合很小,通带较窄.对于TM210模,由图可见,8个 缝隙上的耦合均是相抵消的,因而只有极其微小的耦合,所 以通带很窄.而如图所示的5H模,则有较大的耦合.5H 模的振荡频率大约为基本模式的两倍,因此5H模式很容易 引起自激,是应设法予以抑止的模式. (b)TMll"(C)TMll【】 (d)TM2lo(e)5H 图6Isfel3d模拟的腔模各低次模式的磁场分布图 由对基模TM010的磁场结构分析可知,耦合腔金属突出 物和耦合缝隙的形状及尺寸对慢波特性有着直接的影响.本 文运用isfel3d软件对不同缝隙长度的苜蓿叶形慢波结构进 行了模拟计算,得到如图7所示的色散特性曲线图.根据带 n,f, 宽公式×lOO%,其中,0为与0模所对应的频率,,不 1七 为与7r模所对应的频率,可计算得,耦合缝隙长为31.25mm 时,带宽为15.7%,缝隙长为3525mm时,带宽为19.5%, 缝隙长为4O.25mm时,带宽为211%.由此可见,在模拟 结果没有出现畸形曲线的范围内,耦合缝隙越长,慢波结构 的带宽越宽. I{_4 3—2 吾_{ 2.8 26 +3125mm +3525mm +4()25mm 20601001401H() 卢L(.) 图7Isfel3d模拟的不同长度缝隙的回路色散特性图 6结束语 利用模拟软件对复杂的苜蓿叶形耦合腔慢波结构的高 频特性进行软件冷测,其模拟结果与实验测试值相比较,色 散特性的平均误差小于O.O3%,耦合阻抗的平均误差小于 8%,说明用计算机软件对其进行研究具有可行性. 本文通过对不同长度耦合缝隙的苜蓿叶形慢波结构的 模拟发现,在慢波特性曲线没有出现畸变的范围内,缝隙长 的慢波结构具有更宽的带宽.同样,可改变腔体内金属突出 物的尺寸来满足具体的设计要求,优化结构. 参考文献 [1]ChodorowMandCraigRA.Somenewcircuitsforhigh— powertraveling-wavetubes.Proc.IRE1957,45(8):1106— 1118. [2]ChodorowMandNaiosEJ.Thedesignofhigh-power traveling-wavetubes.Proc.IRE1956,44(5):649—659. [3]LeiWQandZhongHY.Softwarecoldtestsimulationof coupledcavityslow—wavestructureinmillimeterwavetwt. 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