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《微波學報》2015年第S1期

摘要:

文章研究了回旋行波管介質加載高頻結構中TE01模式色散特性的測試方法，給出了測試結果并和理論計算進行比較，根據測試結果分析了色散特性對回旋行波管輸出特性的影響，同時預測了互作用的輸出特性并和實際測試結果進行了比較。

關鍵詞:

回旋行波管，介質加載，色散特性，測量方法

介質加載結構作為回旋行波管的互作用結構［1-4］，可以很好地抑制振蕩模式，工作性能穩定。在這種結構中波的色散特性相對于在理想波導中的色散特性會發生較大改變［5］。本文利用改變高頻結構的長度從而改變相位的原理，對加載介質(ε=25+11j)高頻結構的TE01模式色散特性的測量方法進行了研究。將測試結果和理論計算結果進行了比較，通過電子注的同步色散關系曲線，對采用此高頻結構的回旋行波管的帶寬和工作參數進行了預測，并和實際測試結果進行了對比。

1介質連續加載波導色散方程理論

如圖1所示，因為工作模式定為TE01模，所以考慮采用部分介質連續加載的圓波導的情況，I區為真空區域，II區為介質加載區域。為了得到部分介質連續加載波導的色散方程，如圖1所示，可將波導橫截面分為介質區域和真空波導區域，然后在每個區域用位函數法求解場方程，最后利用邊界場匹配方法求得色散方程。(2)式相當于部分介質連續加載波導中TE波及TM波單獨存在時的色散特性，這就說明在m=0的情況下TE0n模及TM0n模可以單獨存在。此時，求解(2)式可以得到表征不同混合模式的特征根γmn=αmn+jβmn。通過介質層的邊界條件，可以求出混合模式中的電場和磁場分量的幅值，進而可以對不同混合模式的傳播和損耗特性進行分析［5］。

2介質加載圓波導色散特性測試

2．1TE01模式轉換器的確定這種耦合器通過標準矩形波導輸入TE10模式，在同軸耦合腔產生足夠強度和純度的TE511模式。接著，在腔體內壁模磁場最大處開孔，能量以磁耦合的方式耦合到內圓柱波導，激勵起所需模式TE01。其具體結構如圖2所示，圖3是利用HFSS模擬得到的場分布結構圖，從圖中可以看出，該模式轉換器在腔體中得到了模式純度很好的TE01模式。測試時，把兩個TE01模式轉換器對接如圖4所示，圖5是兩個TE01模式轉換器對接后得到的S21的傳輸情況。從圖5中可以看出，頻率在33．5～36．5GHz之間的插入損耗在1dB左右，可認為每個TE01模式轉換器的插入損耗是0．5dB。為了驗證TE01模式轉換器在測試中的效果，先對被測試衰減材料的衰減特性進行理論與測試結果比較，根據γmn=αm+jβmn，被測試衰減材料介電常數ε=25+11j，根據(2)式計算得到衰減常數。衰減材料為圓環形狀，套在園波導中形成介質加載結構，如圖6所示。把介質加載結構置于兩個TE01模式轉換器之間，如圖7所示。得到的衰減材料對TE01模式隨頻率的衰減量見圖8。可以看出，理論計算衰減值、HFSS模擬衰減值和實際測量衰減值差別在1．5dB以內。因此，可以認為TE01模式轉換器可以滿足測試要求，在33．5～36．3GHz之外的頻率候傳輸特性變得很差，反射也急劇增大，因此，對介質加載結構色散曲線的測量頻率范圍確定在33．5～36．3GHz之間，超出這個頻率范圍的測試結果是不可靠的。

2．2介質色散特性的實驗測試圖9是測試原理框圖，把待測的介質加載高頻結構置于兩個TE01模式轉換器之間(圖7)。通過矢量網絡分析儀得到各頻率點的相位φ1。圖10是在矢量網絡分析儀上得到的相位圖。在介質加載圓波導的中間加一段長度為L的衰減材料如圖11所示，得到改變長度后的相位φ2，根據下式可以得到微波在介質加載圓波導里的傳播常數β。

3介質加載圓波導色散特性測試結果分析

分別對周期性介質加載結構(如圖12所示)和均勻加載結構(圖6)進行了測試，為了方便比較，這里把根據(2)式計算得到的加載圓波導色散特性、測試得到的連續加載介質波導色散特性、周期性介質加載波導色散特性和理想波導色散特性放在一個坐標系內，如圖13所示，圖中橫坐標kz為波的縱向波數。通過比較發現，理論計算的介質波導的色散特性和理想波導的色散特性34．2GHz以上比較接近。在34．2GHz以下，加載介質后的色散特性與未加載的色散特性出現較大分離，在原來理想波導的截止頻率以下，傳播常數不為零，而是個無限接近于零的極小值，即表示此時的波仍然能傳播。這說明部分介質連續加載波導無明顯的截止頻率，只是在某一頻率點附近出現傳播常數的突變，該頻率點略低于真空波導的截止頻率。在近似處理的情況下，可以將該頻率點看作是部分介質加載波導的截止頻率。在周期性介質加載結構中(圖12)，介質環和導體環交替放置，由于導體環的長度比起衰減材料的長度小得多，因此實際測量的連續介質加載的色散特性和周期性的色散特性比較接近，但是和理論計算時相比較有一定的差別，造成這種差別的原因:1)在真實的加載結構中，材料的不均勻性導致波在傳輸過程中會反射導致測試誤差。2)介質介電常數和損耗角正切測試的誤差導致計算誤差。3)模式轉換器對TE01模式轉換的純度不可能是100%，導致了測試誤差。

和理想波導的色散曲線相比，加載介質后的波導呈現出兩個特點:1)加載介質后波的色散曲線下移，波在介質中傳播的相速度相對于在理想波導中的相速度降低，波的相速度被介質“延遲”了。2)比較介質加載圓波導色散和未加載的色散特性可以發現，加載后的色散曲線被“拉直了”更接近于“直線”。上述兩個特點可以展寬回旋行波管的工作帶寬，針對這個問題，這里給出回旋行波管電子注同步方程。在圖13基礎上根據(4)式可得到電子注的色散曲線，如圖14所示。電子注的參數為電壓63kV，磁場:1．235T，橫縱速度比為1。由圖14結合上面分析的特點(1)和(2)可知，加載介質后波的色散曲線可以在較寬的范圍內和電子注色散曲線相切，拓寬了互作用的同步范圍，因此可以提高互作用的帶寬，從而較大地提高回旋行波管的工作帶寬。由圖14還可以知道，電子注的色散曲線和加載介質后波導的色散曲線33．5～35．5GHz的范圍內都是“相切”的。對采用這種衰減材料作為高頻結構的回旋行波管進行了測試。工作參數為電壓63．5kV，電流:10A，橫縱速度比:1，磁場:1．237T。測試得到的工作帶寬從33．5～35．7GHz，與圖14中預測的工作帶寬基本吻合。

4結論

本文通過TE01模式轉換器，利用改變介質加載段長度使得波的相位隨之改變的原理，測試得到了TE01模式在介質加載結構內傳播的色散特性，并且和理論計算值進行了比較。根據測試結果可知:(1)采用介質加載結構可降低波的相速度。(2)采用介質加載結構可使得波的色散曲線被“拉直”了更接近于“直線”，這樣可以擴展互作用帶寬。最后通過測試得到的色散特性預測了互作用特性，與實際測試結果吻合。

作者：王峨鋒 曾旭 孫昊 馮進軍 朱世秋 單位：中國電子科技集團公司第12研究所 微波電真空器件國家級重點實驗室