針對W波段2GHz帶寬范圍內(nèi)500W以上輸出功率的系統(tǒng)應(yīng)用需求，對一種新型貫通耦合式梯形線行波管進(jìn)行了分析和模擬設(shè)計(jì)。通過CST微波工作室分析了這種貫通耦合式梯形線電路的冷特性參數(shù)，結(jié)果表明該種電路具有較高的互作用阻抗和一定的工作帶寬。對結(jié)構(gòu)參數(shù)的加工誤差分析表明傳統(tǒng)機(jī)械加工手段能夠滿足工程制管的需求。同時利用粒子工作室對該梯形線行波管的三維互作用工作特性進(jìn)行了模擬計(jì)算研究。計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)工作電壓21kV，電流400mA時，可以在94.3～97GHz范圍內(nèi)得到500W以上輸出功率，最大輸出功率740W，-1dB帶寬超過2GHz。

　　作為大功率微波產(chǎn)生和放大的真空電子器件，在雷達(dá)、通信、電子對抗、遙測遙控和精密制導(dǎo)等武器裝備中發(fā)揮了核心作用。隨著材料科學(xué)的發(fā)展、設(shè)計(jì)仿真能力的加強(qiáng)以及加工制造技術(shù)的進(jìn)步，真空電子器件保持著持續(xù)的繁榮和活力。特別是在毫米波以及太赫茲頻段的大功率應(yīng)用領(lǐng)域，相比于固態(tài)器件，真空電子器件在高頻率、大功率方面將占有絕對的優(yōu)勢。W波段真空電子器件類型則主要包括擴(kuò)展互作用速調(diào)管、回旋管以及行波管等。其中行波管由于功率量級適中并具有較寬的帶寬，受到各研究單位較高的重視。而在W波段一定的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)大功率輸出是行波管發(fā)展的一個重要方向之一。目前W波段行波管國際上最先進(jìn)的水平是輸出功率約100W，電子效率約為2%～3%。

　　W波段行波管目前最為常用的慢波結(jié)構(gòu)主要有折疊波導(dǎo)以及梯形線兩種，同時也有部分利用交錯雙柵、正弦波導(dǎo)、矩形槽波導(dǎo)等慢波結(jié)構(gòu)開展W波段行波管的相關(guān)研究報道[。通常也將梯形線慢波結(jié)構(gòu)稱為耦合腔的一種，嚴(yán)格的說折疊波導(dǎo)也屬于耦合腔結(jié)構(gòu)的一種，與單交錯梯形線慢波結(jié)構(gòu)非常相似。作為全金屬慢波結(jié)構(gòu)，他們都具有很好的散熱能力，適合于大功率應(yīng)用。折疊波導(dǎo)由于結(jié)構(gòu)簡單方便加工、能量易于耦合，且相比于梯形線有著更寬的帶寬，非常適合作為W波段寬帶行波管的慢波結(jié)構(gòu)，也是目前報道的實(shí)際器件應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)之一。但由于折疊波導(dǎo)的耦合阻抗相對較低，使得器件總效率和輸出功率受到一定限制。相比較而言，對于帶寬要求不高，需要大功率的應(yīng)用場合，梯形線慢波結(jié)構(gòu)則有著一定的優(yōu)勢，非常值得做更深入的研究。

　　梯形線慢波結(jié)構(gòu)最早在80年代由瓦里安公司的James和Kolda提出的，主要是解決休斯結(jié)構(gòu)耦合腔在進(jìn)入毫米波頻段后尺寸太小帶來的加工和裝配精度無法保證的問題。它之所以叫梯形線慢波結(jié)構(gòu)，主要是因?yàn)樗�的核心電路看上去像一個梯子。它可以在一塊銅板上整體加工完成，相比于休斯結(jié)構(gòu)耦合腔的堆疊裝配焊接工藝有著更高的裝配焊接精度。梯形線慢波結(jié)構(gòu)根據(jù)腔體之間耦合方式的不同又可以分為貫通耦合式梯形線，單交錯梯形線以及雙交錯梯形線幾種。其中雙交錯梯形線的工作帶寬是最寬的，已有文章利用Magic仿真在Ka波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1.4GHz瞬時工作帶寬，在V波段利用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了1.25GHz的3dB工作帶寬。但是雙交錯梯形線由于耦合槽交替90°排列，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，給加工和裝配焊接工藝帶來了麻煩。而真空技術(shù)網(wǎng)(http://shengya888.com/)認(rèn)為貫通耦合式梯形線的電路加工相對較為簡單，而且可以很容易地利用微細(xì)加工工藝實(shí)現(xiàn)，這對于短毫米波以及太赫茲器件的設(shè)計(jì)制造具有重要意義和實(shí)用價值。

　　本文針對W波段2GHz帶寬內(nèi)500W以上輸出功率的大功率行波管需求，利用CST微波工作室以及粒子工作室等三維仿真軟件對貫通耦合式梯形線慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)研究。

1、冷特性參數(shù)模擬

　　圖1給出了貫通耦合式梯形線慢波電路的結(jié)構(gòu)以及冷特性計(jì)算模型。

　　通過梯芯以及上下蓋板三部分焊接而成。這種結(jié)構(gòu)相對于雙交錯梯形線更易于加工以及后續(xù)的裝配焊接工藝，其中梯芯可以利用電火花線切割的方法加工。在上下蓋板兩側(cè)對稱的開了兩個貫通式的耦合槽，用于各腔體之間的電磁場耦合。兩個耦合槽比單個耦合槽的結(jié)構(gòu)色散要更加平坦，相應(yīng)的工作帶寬要更寬一些。

圖1 貫通式梯形線慢波結(jié)構(gòu)及其計(jì)算模型

　　利用CST微波工作室的本征模求解器計(jì)算其色散和耦合阻抗等冷特性參數(shù)。該模型的周期尺寸為p，單個腔體橫截面尺寸為a×b，腔體間隙g，兩側(cè)的耦合槽尺寸為h×w。優(yōu)化后的最終結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 W波段梯形線電路結(jié)構(gòu)尺寸

4、結(jié)論

　　本文利用貫通耦合梯形線慢波電路對一種功率500W，帶寬2GHz的W波段行波管進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。該電路冷特性模擬仿真結(jié)果表明該梯形線慢波電路相比于折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)色散較強(qiáng)，冷帶寬較窄，但耦合阻抗相對較高，對于帶寬要求不高的應(yīng)用系統(tǒng)具有重要的研究價值。針對這種慢波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種輸能耦合裝置，該輸能系統(tǒng)在92.5～97GHz范圍內(nèi)駐波系數(shù)均小于1.2，在很寬的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了良好匹配。利用CST粒子工作室對行波管進(jìn)行了全三維PIC互作用模擬，結(jié)果表明工作電壓21kV，工作電流400mA的情況下，可以在94.5～96.5GHz范圍內(nèi)輸出500W以上的輸出功率，增益大于27dB，電子效率大于6%。值得一提的是，這種貫通耦合式梯形線慢波電路相比于雙交錯梯形線或者休斯耦合腔，更易于加工且可以和UV-LIGA等微細(xì)加工工藝相兼容，這對于短毫米波以及太赫茲器件具有重要的參考價值。