提出了一種新型的微帶線慢波結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的N型微帶線慢波結(jié)構(gòu)相比，新型結(jié)構(gòu)具有相速值較小、工作電壓低、功率大、耦合阻抗高等特點(diǎn)。利用HFSS和CST分別對此結(jié)構(gòu)在V波段進(jìn)行高頻特性、傳輸特性和注-波互作用仿真，得出在60GHz頻點(diǎn)耦合阻抗大于20Ω，在55～63GHz頻段內(nèi)VSWR<1.5;當(dāng)輸入功率為100mW 時，并且?guī)�狀電子注的電流和電壓分別工作在100mA和5kV的條件下，該行波管慢波結(jié)構(gòu)的最大輸出功率為115W，平均互作用效率為14.6%，瞬時3dB帶寬為5GHz(56～61GHz)。

　　現(xiàn)代軍事應(yīng)用和國民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域，如相控陣?yán)走_(dá)、電子對抗、微波中繼通信系統(tǒng)等迫切需求結(jié)構(gòu)和加工工藝簡單、成本低、體積小、重量輕的小型化行波管。而且微波管所用的慢波結(jié)構(gòu)的尺寸變得越來越小，現(xiàn)在的加工工藝對傳統(tǒng)的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的加工已經(jīng)不能滿足要求，微帶線慢波結(jié)構(gòu)的加工工藝簡單、成本低、能夠規(guī)模生產(chǎn)，具有很大的應(yīng)用潛力，早期美國A.W.Scott研制出了以微帶曲折線作為慢波結(jié)構(gòu)的印制行波管。這種印制行波管用帶狀電子束，比起傳統(tǒng)行波管所使用的電子通道的尺寸要小，其微帶慢波結(jié)構(gòu)的加工工藝可以采用成熟的二維微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)，所以這種印制行波管是將行波管小型化的主要研究方向之一。目前國內(nèi)外對印制行波管的慢波結(jié)構(gòu)的研究主要集中在微帶曲折慢波結(jié)構(gòu)，中電集團(tuán)第十二研究所對傳統(tǒng)的微帶型曲折線慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和仿真計(jì)算，電子科技大學(xué)對V型曲折線進(jìn)行過深入的研究。為了開發(fā)出更高頻段和效率的印制行波管，縮小行波管的尺寸，我們提出了一種新型微帶線慢波結(jié)構(gòu)。

　　本文利用HFSS對相同尺寸下的傳統(tǒng)微帶慢波結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了高頻特性的模擬仿真，研究了此新型微帶慢波結(jié)構(gòu)的傳輸特性。最后利用CST的粒子工作室(PARTICLE STUDTO)對此慢波結(jié)構(gòu)的注-波互作用進(jìn)行模擬計(jì)算。

1、新型微帶慢波結(jié)構(gòu)的理論研究

　　行波管作為放大信號的器件，它的慢波系統(tǒng)必須滿足兩個條件，一個是行波速度與電子束速度基本相同，用色散曲線表征，實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)置周期性邊界條件，掃描相移的角度完成。利用HFSS的本征求解器求解，指定一個周期的相移為θ，求解出模型的諧振頻率f ，就有：

　　式中β0為基波的傳播常數(shù)，p 為結(jié)構(gòu)的單個周期橫向長度，βn為第n 次空間諧波的傳遞常數(shù)，改變相移θ數(shù)值，就可以得出相對應(yīng)的vp-f 曲線。另一個是高頻場在縱向分量上與電子束發(fā)生互作用，用耦合阻抗表征。耦合阻抗定義為：

　　式中E2 zm為縱向場的幅值，P 是慢波結(jié)構(gòu)上的功率流。在實(shí)驗(yàn)中可以采用在模型當(dāng)中加入介質(zhì)棒，用介質(zhì)微擾法測量模型的耦合阻抗。通常介質(zhì)棒加載到微帶表面上方，用諧振法求出前后的諧振頻率。對式(5)的求解，通過提取微帶線慢波結(jié)構(gòu)中的縱向電場幅值和功率流，從而得出耦合阻抗，在實(shí)際工程中這種方法也有廣泛的應(yīng)用。對HFSS進(jìn)行宏編程，直接將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成曲線，這種方法減少了介質(zhì)棒的大小而引入的人為誤差，從而使計(jì)算結(jié)果更接近于模型物理本質(zhì)。

　　式中，f 為加入介質(zhì)棒前的諧振頻率，Δf 為加入介質(zhì)棒后的諧振頻率，ε，ε0為擾動介質(zhì)棒和真空中的介電常數(shù)，a為介質(zhì)棒的半徑，vg為結(jié)構(gòu)的群速。

2、注-波互作用的模擬結(jié)果

圖7　輸入和輸出信號

圖8　輸出信號頻譜圖

圖9　輸出信號幅頻特性圖

　　基于以上優(yōu)化過的尺寸，利用CST的粒子工作室對此慢波結(jié)構(gòu)在V頻段的注-波互作用進(jìn)行模擬計(jì)算。將單個微帶線周期用190個相連，輸入輸出用同軸線連接。介質(zhì)基底板采用介電常數(shù)較低的氮化硼，介電常數(shù)為4，取一段矩形金屬塊模擬帶狀電子注的發(fā)射槍，取電流為100mA，電壓為5kV，輸入的激勵信號功率為100mW，聚焦系統(tǒng)采用的是1T的均勻磁場。圖7給出了在60GHz頻點(diǎn)的輸入和輸出信號圖，從圖中可以看出，輸出信號被放大了數(shù)十倍，輸出信號在輸入信號發(fā)出后1.25ns時達(dá)到穩(wěn)定。將輸出信號進(jìn)行傅里葉變換，得出輸出信號的頻譜圖，如圖8所示，可以看到從0～120GHz內(nèi)的輸出信號頻譜都相當(dāng)純凈，幾乎沒有諧波。圖9給出了此慢波結(jié)構(gòu)在55～63GHz的頻帶內(nèi)的輸出信號幅頻特性圖，帶狀電子束和高頻電磁場的注-波互作用在60GHz時，達(dá)到了最大輸出功率115W，瞬時3dB 帶寬為5 GHz(56～61GHz)，相對應(yīng)的平均電子注效率為14.6%。

3、結(jié)束語

　　本文分析了一種新型微帶曲折線慢波結(jié)構(gòu)，通過與傳統(tǒng)的微帶慢波結(jié)構(gòu)的色散特性和耦合阻抗進(jìn)行比較，得出新型結(jié)構(gòu)具有相速值較小，工作電壓低，低頻段耦合阻抗高等特點(diǎn)。研究了新型微帶線慢波結(jié)構(gòu)的傳輸特性，得出該結(jié)構(gòu)具有良好的駐波比。通過注-波互作用的模擬計(jì)算，得出該結(jié)構(gòu)的工作電壓僅為5kV，大大小于傳統(tǒng)的行波管慢波結(jié)構(gòu)的工作電壓，因此這一改進(jìn)降低了實(shí)際應(yīng)用中電子槍的設(shè)計(jì)。