新型反绕双螺旋线慢波系统的分析与设计
#" 模拟分析
$ $ 鉴于新型反绕双螺旋线结构的复杂性及现有理论分析的不精确性， 本文利用 " 维电磁软件 GH% &IH ［ FJE ］ 对 其进行仿真分析。对图 F 所示的新型反绕双螺旋线模型进行建模， 利用 GH% &IH 提供的周期边界条件， 指定周期相移 !， 用本征模解计算出谐振频率 $， 得到基波相速度为 % 5 & " ’ # & ! !$# ’ ! 式中： # 是慢波系统的基波传输常数； " 为基波角频率。 $ $ 耦合阻抗按 K,;/9; 耦合阻抗定义计算 (B &
: ’ !" 螺距对色散特性及耦合阻抗特性的影响 " " 取螺距 % 分别为 !’ * $， ! * ( $， ! * + $， # * $ $， # * * $， 其它尺寸不变， 仿真结果见图 * 。由图 * （ ,） 可见， 在一定的范 围内 （ % - # * * $， # * $ $） ， 与螺旋线的情形相同， 新型反绕双螺旋线的相速度随螺距的减小而下降。而在相当大的 范围内 （ % - # * $ $， ! * + $， ! * ( $， ! * * $） ， 与螺旋线的情形相反， 其相速度随螺距的减小反而增大。这是由于螺距 减小， 一方面使得螺旋角减小， 轴向单位长度上的电流传输路径加长， 从而降低了相速度； 另一方面使得两螺旋 线重叠的面积增大， 电流传输路径的缩短效应将更加明显， 从而提高了相速度。当前一因素占主导时， 相速度 将随螺距的减小而减小； 反之， 相速度将随螺距的减小而增大。
* 陆德坚"， ， ! 王自成" ， ! 刘濮鲲"
!
（ " ! 中国科学院 电子学研究所，北京 "+++C+ ； * ! 中国科学院 研究生院，北京 "+++@# ）
! ! 摘! 要： ! 基于降低工艺难度的目的， 提出了一种新型反绕双螺旋线慢波系统， 该系统的正绕反绕螺旋线 半径不等。利用 @ 维电磁软件 :79 <27 仿真分析了结构参数对色散和耦合阻抗的影响。结果表明： 耦合阻抗 在螺旋带内半径较大时没有明显下降； 减小螺旋带宽度有利于降低相速度和提高耦合阻抗； 在一定范围内， 相 速度随螺距的减小而增大。在此基础上， 结合工程要求设计了 C DD 波段行波管的新型反绕双螺旋线慢波系 统， 耦合阻抗达到 *" !， 工作电压约为 *+ E%， 同时由于电子通道半径较大， 降低了对电子光学系统的要求； 纵 向翼片加载的引进较为有效地展宽了带宽。 ! ! 关键词： ! 反绕双螺旋线； ! 慢波系统； ! 毫米波行波管； ! 色散特性； ! 耦合阻抗 ! ! 中图分类号： ! 9)"*$! ! ! ! 文献标识码： ! 6
+,-. "$ %/0123,22,41 5067 48 9://;16 ,1 67; 4<;/=05 48 9416/0>4:1? 7;=,@ 图 "$ 螺旋带重叠处电流的传输路径
!" 新型反绕双螺旋线慢波系统方案
$ $ 传统的反绕双螺旋线的半径相同， 难以用绕制的方法实现， 一般是 由一根金属管加工而成， 工艺难度较大。后来人们在反绕双螺旋线的 基础上进一步发展了环杆结构， 这种结构可认为是反绕双螺旋线的一 种变型。环杆结构一般由一根金属管铣成或电火花切割而成， 但在毫 米波段， 由于尺寸过小， 环杆结构的加工难度还是较大。 $ $ 基于现有工艺水平， 本文提出了图 ! 所示的新型反绕双螺旋线设 计方案： 先正向绕制一根螺旋带， 然后紧贴着这根螺旋带反向绕制另一 根螺旋带 （ 两根螺旋带同规格且螺距相同） ， 相切处用激光进行点焊， 这样就显著降低了工艺的难度， 在现有绕制螺旋线的工艺线上容易实 现。该慢波系统用氧化铍对反绕双螺旋线进行夹持， 为了改善色散特 性， 引进了纵向翼片加载。图 F 给出新型反绕双螺旋线慢波系统的横截面示意图， 其中螺旋带的宽度为 " ， 螺 距为 #。 $ $ 新型反绕双螺旋线是反绕双螺旋线的变型， 上面关于反绕双螺旋线的理论分析也基本适用于新型反绕双 螺旋线。
表 !" 新型反绕双螺旋线慢波系统各参量尺寸表 #$%&’ !" ()*’+,)-+ -. +-/’& 0-+12$3-4+5 6’&)7 ,&-383$/’ ,9,1’*
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! 第 "# 卷! 第 $ 期 ! *++, 年 $ 月
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文章编号： ! "++"?$@** （ *++, ） +$?+AB"?+A
新型反绕双螺旋线慢波系统的分析与设计
［ "］ 与电子注的互作用 。在 )NMJPK 的另一篇文章里， 通过实验的方法研究了反绕双螺旋线的特性， 得出了色散 ［ *］ 。然而从那以 及基波耦合阻抗与螺旋线的带宽及带厚密切相关的结论， 初步验证了其抑制返波振荡的能力
后， 对反绕双螺旋线的研究兴趣锐减。到 "##+ 年才由 :LJP 和 />&H 从理论上计算并讨论了介质负载和金属屏
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第% 期
陆德坚等：新型反绕双螺旋线慢波系统的分析与设计
(*)
式中： !（ 是轴线上纵向电场幅值； # 是时间上平均的高频功率流。 " !） " " 下面， 我们在表 # 所给的新型反绕双螺旋线慢波系统各参量尺寸的基础上讨论螺距、 内半径、 带宽、 带厚及 纵向翼片加载等因素对色散和耦合阻抗的影响， 各参量的含义参见图 $ 及图 % ， $ 为夹持杆宽度。
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第 #M 卷
互间的耦合； （!） 假设螺旋带为无穷薄带状理想导体， 不考虑螺旋带厚度的影响； （"） 假设螺旋带和金属屏蔽筒
［ #］ ［ "］ ， 故本文只从理论上对其作定性说明 。 之间是均匀介质填充。理论计算的结果与实测还存在较大的差异
$ $ 反绕双螺旋线在同相电流激励下， 产生对称波， 如果假定任一螺旋带所产生的场不受另一螺旋带存在的影 响， 则由于同相电流产生场的叠加使轴线上的纵向磁场抵消， 基波的磁场为零。这样， 在反绕双螺旋线中主波 就只有 %& 波， 不存在 %’ 波， 因而基波的场就全部集中于 %& 波， 从而使纵向电场增加约一倍， 增大了基波耦 合阻抗。而 ! ( ) # 次空间谐波属于不对称波， 由反相电流激励。这样， 反绕双螺旋线在同相电流激励下就可 以抑制奇次空间谐波及无用的磁场分量， 而使所有能量转移到偶次谐波的电场内。这就使基波与 ! ( * # 次空 间谐波的耦合阻抗之比要比螺旋线的高很多， 从而避免了高压行波管 ! ( * # 次空间谐波所引起的返波振
［ "］ 。 荡
$ $ 若考虑两根螺旋带间的耦合， 在两根螺旋带重叠的部位， 螺旋 带的面电流不再如图 " （ 0） 所示分别沿着两根反向绕制螺旋带的 方向流动， 而是如图 " （ A） 所示， 在两根螺旋带之间流动， 从而缩短
［ !］ 。由于 了电流传输的路径， 我们称之为电流传输路径缩短效应
相速度主要取决于电流的传输路径， 可见这一效应提高了反绕双 螺旋线的相速度。因而反绕双螺旋线的相速度要比同一尺寸螺旋 线的大很多， 降低相速度将是设计的难点之一。 $ $ 反绕双螺旋线的一大缺点是色散特性比较陡峭， 一般带宽被 限制在 #BC D #EC 。在螺旋线慢波系统中可以通过翼片加载来 展宽带宽， 而在反绕双螺旋线中， 尚未见有公开发表的关于通过纵 向翼片加载来展宽带宽的研究。
QJR( "! 9>LGJOJ&PL’ S&PO>LH&IPG FN’JT 图 "! 传统反绕双螺旋线
QJR( *! )&MN’ S&PO>LH&IPG FN’JT 图 *! 新型反绕双螺旋线
"# 理论分析
［"］ ! ! 由于其结构的复杂性， 对反绕双螺旋线理论做了以下简化 （ ："） 假设两根螺旋带是相互独立的， 不考虑相
./0’ *" 122345 62 738/4,8 9/547 6: ;/<93=</6: ,:; /:53=,45/6: />93;,:43 图 *" 螺距对色散特性和耦合阻抗特性的影响
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
" " 由图 * （ ?） 可见， 与相速度的情形相应， 在一定的范围内， 耦合阻抗先是随着螺距的减小而略增大， 超出这 一范围后， 耦合阻抗随螺距的减小而迅速减小， 工作频带向高频端移动。这是由于螺距减小， 一方面使得螺旋 角减小， 增大了耦合阻抗； 另一方面使得轴向相邻螺旋线间的电容效应增强， 使得电场趋向集中于螺旋线之间； 还有一方面是使得轴向单位长度内的螺旋线面积增大， 与金属屏蔽筒和翼片之间的电容效应增强， 使得电场趋 向集中于螺旋线与金属屏蔽筒及翼片之间。后两种因素均使得轴心处的电场强度减弱， 从而降低了耦合阻抗。 当螺距较大时， 螺旋角减小的影响大于电容效应的， 耦合阻抗随螺距的减小而有所增大。而当螺距较小时则相 反， 耦合阻抗随螺距的减小而迅速减小。另外， 由于电容效应对低频端影响较大， 而对高频端影响较小， 在一定 范围内耦合阻抗的频率曲线随螺距减小而趋于平缓。 : ’ ;" 螺旋带内半径对色散特性及耦合阻抗特性的影响 #’ $ $， #’ ( $， 其它尺寸不变， 仿真结果见图 ( 。由图 ( （ ,） 可见， 与螺旋线一 " " 取螺旋带内半径 ’! 分别为 !’ @ $， 致， 新型反绕双螺旋线的相速度随内半径的减小而迅速增大且随频率变化趋于平缓。耦合阻抗曲线 （ 见图 ( （ ?） ） 随着螺旋带内半径的减小而向高频段移动且随频率的变化趋于平缓。随内半径减小， 高频端耦合阻抗增 大， 螺旋角增大使工作频带向高频端移动。在保持夹持杆尺寸不变的情况下， 减小内半径相当于加重了介质负 载， 相应增大的电容效应使得耦合阻抗的频率曲线趋于平缓， 这也就是在低频端， 内半径较小的， 耦合阻抗反而 较小的原因。 : ’ :" 螺旋带宽度对色散特性及耦合阻抗特性的影响 " " 分别取螺旋带宽度 ( 为 !’ #( $， !’ $% $， !’ )$ $， 其它尺寸不变， 仿真结果示于图 + 。由图 + （ ,） 可见， 带宽对色 散特性的影响很大， 相速度随带宽的增大而急剧增大。这是由于两螺旋带的重叠面积随带宽的增大而增大， 使 得电流传输路径缩短效应更为显著， 大大提高了相速度， 且使工作频带向高频端移动。耦合阻抗随带宽的增大 而急剧减小 （ 见图 + （ ?） ） ， 这可解释为带宽的增大导致了轴向相邻螺旋带之间和螺旋带与翼片及金属屏蔽筒 之间的电容效应增大， 使得电场趋向集中于相邻螺旋带之间和螺旋带与翼片及金属屏蔽筒之间， 不利于轴心处
宽带行波管螺旋线慢波结构耦合阻抗的计算
宽带行波管螺旋线慢波结构耦合阻抗的计算
刘顺康
【期刊名称】《真空电子技术》
【年(卷),期】1997(000)004
【摘要】金属翼片加载旋线电路是多倍频程行波管中广泛应用的慢波结构。
本文对这种宽频带慢波结构的重要参量－耦合阻抗进行了计算，在很宽的频率范围内，理论计算结果与发表的实验值相当吻合。
【总页数】5页(P1-5)
【作者】刘顺康
【作者单位】东南大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN124.02
【相关文献】
1.多注行波管慢波结构的耦合阻抗研究 [J], 黎泽伦;吕国强;邓善熙;杨军;邓光晟
2.螺旋线慢波结构色散特性与耦合阻抗测量系统误差分析 [J], 梁友焕;李镇远;冯进军
3.螺旋线行波管慢波结构热特性计算专用软件开发 [J], 颜胜美;姚列明
4.翼片加载螺旋线慢波结构色散和耦合阻抗的测量与模拟 [J], 王莉;肖刘;王自成
5.螺旋线慢波结构变节距段阻抗和耦合函数变化规律的研究 [J], 吴天碧;蒲国胜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
140GHz
除 了 色散 特 性 以 及 耦 合 阻 抗 两个 方 面 存 在 着 不 同以 外 ． 我 们 也 可 以 看 出不 同 的横 截 面 积 的 螺 旋 线慢 波 结 构 的 衰 减 系
还 有 不 容 易发 出噪 声 的行 波 管 中。 除 了矩 形 还 有 正 方 形 的 特 别 的 慢 波 结 构 都 是 以 圆形 的 为基 础 的 两种 新 型 的研 究结 构 。
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模 钺 螺旌 带烨 度 的 矗 空崖 等 诎 舟 理 塌
一
３ 软 件模 拟 法研 究 １ ４ ０ Ｇ Ｈ ｚ 三种 自由螺 旋线 慢波 结构的高频特性
３ ． １ 建立模 型 绘画 图形
在 ＨＦ Ｓ Ｓ １ １ 界 面 中建 立三 种 不 同慢 波 结 构 的模 型 ． 以横 截 面 为 单 一 变 量保 证 其 他 条 件 的 相 同 分析 各 种 不 同 螺 旋 漫 渡 的 情 况 。根 据 模 型 建 立 分析 数 据 情 况 绘 出慢 波 结 构 在 不 同高 频
它 就 是 指 侧 面 为 长 方 形 的特 别 结 构 ．它 是 由 圆形 的特 别 结 构 变形 而来 的 一 种 新 的 优 秀 的 结 构 ．人 们 通 过 对 不 同侧 面 积 的 长 方 形 螺 旋 慢 波 结 构 进 行 比较 和 分 析 ．在 面积 改 变 的 同 时研 究 其 对 该 高频 特 性 的影 响 ．在 不 断 的 计 算 对 比 总 结 中得 到 面 积 的 变化 给 其 色散 特 性 带 来 的 改 变 圆形 的该 种 结 构是 一 种 十 分 原 始 和 年 代 感 的特 别 结 构 ． 应 用 广 泛 。优 秀 的 宽 带 性 质 以 及 增 益 性 质 让 其 广 泛 用 于 比较 合 适 和 比较 低 的功 率 的行 波 管
一种带散热片的螺旋线慢波结构的热模拟与分析
摘 要 ： 了解 决 慢 波 结 构 的 散 热 问题 ， 文 从 热 特 性 的 角 度 出 发 设 计 了 两 种 散 热 片 结 构 。利 用 有 限 元 软 件 ＡＮＳ Ｓ对 带 为 本 Ｙ 有 这 两 种 散 热 结 构 的慢 波 结 构 的 热 特 性 分 别 进 行 了模 拟 和 分 析 ， 过 比较 发 现 集 中 散 热 结 构 具 有 较 好 的 散 热 性 能 ， 为 螺 旋 通 这
ｏｆｓ ａ ｅ Ｔ Ｗ Ｔ ． ｐ ｃ Ｋｅ ｒ ： Ｈ ｅｉ ａ Ｗ Ｔ ，Ｓｌ ｗ— ａ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ，Ｒ ａ ｉ ｔ ， Ｔ ｈ ｒ ａ ｎ ｙ ｉ Ａ Ｎ ＳＹ Ｓ ｙ ｗｏ ｄｓ ｌｃ ｌＴ ｏ ｗ ｖ ｔ ｕｃ ｕｒ ｄ ａ ｏｒ ｅ ｍ ｌａ ａｌ ｓｓ，
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新型自由矩形螺旋线慢波结构高频特性
摘
要 ： 在 Ｓ ｅｔ 型 下 ， 用 严 格 的 场 匹 配 法 ， 合 积 分 形 式 的边 界 条 件 ， 导 了 自 由矩 形 螺 旋 线 的 ｈ ａｈ模 采 结 推
色 散 方 程 和 耦 合 阻抗 表 达 式 ， 与 近似 理论 进 行 对 比。 结 果 表 明 ： 近似 理 论 相 比 ， 禁 场 匹 配 法 具 有 更 高 的 并 与 严 准 确 性 ， 采 用 场 匹 配 法 的数 值 计 算 结 果 与 ３维 商业 电 磁 仿 真 软 件 结 果 吻 合 得 很 好 。从 而 证 明 了所 采 用 理 论 且 方 法 的 有 效 性 。 同时 分 析 了矩 形 螺 旋线 横 截 面 尺 寸 、 螺距 、 旋 角 、 横 比 对 色 散 特 性 和 耦 合 阻 抗 的 影 响 ， 果 螺 纵 结 表明 ： 只有 当矩 形 螺 旋 线 横 截 面 纵 横 比大 于 ４时 ， 可 忽 略 横 截 面 的 宽 度 对 高 频 特 性 的 影 响 ， 过 调 节 结 构 的 才 通 参 数 可 以改 善 色 散 和 提 高 耦 合 阻抗 。 关 键 词 ： 矩 形 螺 旋 线 ； 慢 波 结 构 ； 色 散 特 性 ； 耦 合 阻 抗 ； 高 功率 微 波
形 慢波线 拐 角处 奇异 性 的色散 导致 难 以用传 统 的场理 论来 分析 其高 频特 性 。关于平 面 螺旋线 结构 近似 的研究 采 用无 限宽 的模 型［１ 。近 似理论 建立 在 数 学 简化 模 型 基 础上 ， 以反 映 实 际的 电磁 特 性 。实 际情 况 下横 向 ５０ －７ 难 宽 度对矩 形 螺旋线 的高频 特性 有影 响 ， 因此 本文考 虑 了结 构 的宽 度 ， 结合 积 分边 界 条件 ， 更 严格 的场 匹配 理 用 论， 推导 了矩 形螺 旋线 的色 散方 程 和耦合 阻抗 表达 式 ， 而分 析 宽度 对 场结 构 和高 频特 性 的 影 响 ， 究 结构 参 从 研
一种螺旋线慢波结构[发明专利]
![一种螺旋线慢波结构[发明专利]](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/a3d0f6c9dd36a32d72758152.webp)
专利名称：一种螺旋线慢波结构
专利类型：发明专利
发明人：魏彦玉,刘鲁伟,宫玉彬,许雄,殷海荣,岳玲娜,刘漾,徐进,王文祥
申请号：CN201110415124.2
申请日：20111214
公开号：CN102446676A
公开日：
20120509
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种螺旋线慢波结构，属于微波真空电子技术领域。
包括一个螺旋线、一个管壳和n(n≥2)个介质夹持杆；螺旋线内径为a、外径为b、螺距为p，由矩形截面的带状金属线绕制而成；其中矩形截面的长度s＝b-a、宽度为w，且s/w≥1；螺旋线外表面开有n条平行于螺旋线中心轴线且均匀分布的槽；介质夹持杆与管壳相接触的侧面形状与管壳的内表面相适应，与螺旋线相接触的侧面形状与螺旋线外表面开出的槽的形状相适应，使得介质夹持杆能够将螺旋线固定于管壳内部并保持二者中心轴线一致。
本发明提供的螺旋线慢波结构采用较厚的螺旋线，使得慢波结构耐电子轰击能力增强、结构更加牢固、可靠性增强；同时由于介质夹持杆与螺旋线外表面的接触面积更大，使得慢波结构的散热能力进一步提高。
申请人：电子科技大学
地址：611731 四川省成都市高新区(西区)西源大道2006号
国籍：CN
代理机构：电子科技大学专利中心
代理人：葛启函
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螺旋线行波管中慢波系统散热性能的研究进展
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
螺旋线行波管中慢波系统散热性能的研究进展
研究慢波系统的散热性能对改善螺旋线行波管的各项特性具有十分重要的意义。
综合叙述了在慢波系统的散热性能影响因素和改进手段方面的研究结果。
介绍了新型装配方法和金刚石材料在慢波系统制备中的应用, 对各种方法的效果进行了分析比较, 并指出新方法和新材料的采用有效的提高了散热性能, 促进了更高性能的行波管的研制。
行波管是一种具有宽频带的微波管, 它被应用于卫星通信系统、雷达系统和电子对抗系统等众多的场合。
螺旋线慢波系统是螺旋线行波管中能量交换的关键部件, 其性能的优劣直接影响着整管的特性。
慢波系统散热性能不仅是决定行波管平均输出功率的主要因素, 也是直接影响行波管工作稳定性与可靠性的重要因素。
随着行波管性能的提升, 慢波系统上的热负荷也逐渐增加, 散热问题的解决显得更为重要。
当螺旋线行波管工作时, 螺旋线由于高频损耗和电子轰击而受热升温, 热量通过夹持杆传导到管壳, 最后由管壳向外散出。
慢波组件中材料的导热能力和接触处的接触热阻是影响慢波系统散热性能的两个主要因素。
为了改善螺旋线行波管的性能, 需要对慢波系统的散热问题进行深入和细致的理论分析和实验研究, 重点考察各种因素的不同作用, 然后适当的采
用新型材料和发展新型装配方法。
目前, 对慢波系统的散热性能已经进行了广泛的研究, 得出了很多重要的结论, 许多新材料、新工艺和新技术也不断的应用到了高性能螺旋线行波管的制备之中。
1、散热性能影响因素的研究
1.1、组件材料的影响
螺旋线行波管的慢波结构是由螺旋线、夹持杆和金属管壳组成, 如在慢波。
新型反绕双螺旋线慢波系统的分析与设计
新型反绕双螺旋线慢波系统的分析与设计
陆德坚;王自成;刘濮鲲
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2007(19)4
【摘要】基于降低工艺难度的目的,提出了一种新型反绕双螺旋线慢波系统,该系统的正绕反绕螺旋线半径不等.利用3维电磁软件CST MWS仿真分析了结构参数对色散和耦合阻抗的影响.结果表明:耦合阻抗在螺旋带内半径较大时没有明显下降;减小螺旋带宽度有利于降低相速度和提高耦合阻抗;在一定范围内,相速度随螺距的减小而增大.在此基础上,结合工程要求设计了8 mm波段行波管的新型反绕双螺旋线慢波系统,耦合阻抗达到21 Ω,工作电压约为20 kV,同时由于电子通道半径较大,降低了对电子光学系统的要求;纵向翼片加载的引进较为有效地展宽了带宽.
【总页数】6页(P651-656)
【作者】陆德坚;王自成;刘濮鲲
【作者单位】中国科学院,电子学研究所,北京,100080;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,电子学研究所,北京,100080;中国科学院,电子学研究所,北京,100080
【正文语种】中文
【中图分类】TN124
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1.理论分析毫米波螺旋线行波管慢波系统导体和介质损耗 [J], 郝保良;黄明光;刘濮鲲;肖刘;刘韦
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3.螺旋线慢波系统的参数模拟及分析 [J], 徐明星;吴立恒
4.大功率毫米波螺旋线行波管慢波系统热分析 [J], 陆麒如;张琳
5.不同材料管壳对螺旋线慢波系统性能的影响 [J], 韩勇;刘燕文;丁耀根;刘濮鲲因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
新型反绕双螺旋线慢波系统的分析与设计
第 ｌ ９卷 第 ４ 期 ２０ ０ ７年 ４月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ Ｇ ＣＩＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ ． ９ Ｎｏ ４ １１ 。 ．
Ａ ｐｒ ２ ０ ．， ０ ７
图 １ 传 统 反 绕 双 螺 旋 线
图 ２ 薪 型反 绕 双 螺 旋 线
ｌ 理 论 分 析
由于其 结构 的复 杂性 ， 反绕双 螺旋 线理 论 做 了以下简 化Ⅲ ： １ 假设 两 根螺旋 带 是相 互 独立 的 ， 考虑相 对 （） 不
＊
收 稿 日期 ：０ ６１－９ ２ ０—２２ ； 修 订 日期 ：０ ７０ —２ ２ ０—４０ 基金 项 目 ： 家 自然 科 学 基金 资助 课 题 （０ ７ ０ ９ ； 国 ６ ５ １ ３ ） 国家 杰 出青 年 科 学 基 金 资 助 课题 （０ ２ １４ ６ １ ５０ ） 作者 简 介 ： 德 坚 （ ９ ｏ ） 男 ， 陆 １ ８一 ， 硕士 生 ， 主要 从 事 毫米 波 行 波 管 及 计 算 电 磁 学 的 研究 ； ｄｊ ｎ ９ ０ ｙ ｈｏ ｃｒ．ｎ ｌ ｅｉ １８ ＠ ａ ｏ ．ｏ ｃ 。 ｕ ａ ｎ
摘
要 ： 基 于 降 低 工 艺 难 度 的 目的 ， 出 了一 种 新 型 反 绕 双 螺 旋 线 慢 波 系 统 ． 系 统 的 正 绕 反 绕 螺 旋 线 提 该
半 径 不 等 。利 用 ３维 电磁 软 件 Ｃ Ｔ ＭＷＳ仿 真 分 析 了结 构 参 数 对 色 散 和 耦 合 阻 抗 的 影 响 。 结 果 表 明 ： 合 阻 Ｓ 耦 抗 在 螺旋 带 内 半 径 较 大 时 没 有 明 显 下 降 ； 小 螺 旋 带 宽 度 有 利 于 降 低 相 速 度 和 提 高 耦 合 阻 抗 ； 一 定 范 围 内 ， 减 在 相速 度 随 螺距 的 减 小 而 增 大 。在 此 基 础 上 ， 合 工程 要 求 设 计 了 ８ｍｍ 波 段 行 波 管 的 新 型 反 绕 双 螺 旋 线 慢 波 结 系统 ． 合 阻 抗 达 到 ２ 工 作 电压 约 为 ２ Ｖ． 时 由 于 电子 通 道 半 径 较 大 ， 低 了对 电 子 光 学 系 统 的 要 求 ； 耦 １Ｑ． ０ｋ 同 降 纵 向 翼 片 加 载 的 引 进较 为有 效 地 展 宽 了 带 宽 。
双渐变螺旋线慢波结构参数分析及优化
双 渐 变 螺 旋 线 慢 波 结 构 参 数 分 析 及 优 化
唐康淞 ， 赵 刚 ， 李 实 ， 阴和俊
（． 中 国科 学 院 电 子 学 研 究 所 ， 京 １ ０ ９ ； ２ １ 北 ０ １ ０ ．中 国科 学 院 研 究 生 院 ，北 京 １０ ３ ） ０ ０ ９
荷 圆环 的相 应 物理量 求平 均 ； ｎ为场 的谐 波 次数 ； ｎ为交 流 空 间 电荷 场 的谐 波次 数 ；ｈ ｒ 分 别 表 示 电子 注 内 ｒ和 ｂ ｊ 。 外半径 。给定初 始条 件后 ， 式 （ ） 对 １ 的数值 求解 通 常采用 空 间步 长积 分方 法 ， 互 作用 输入 端 开始 逐 步求解 ， 从 直
ｅｐ ｉ （ （ －０ ／ 柏 ｄ ，， 是 第 次谐 波 的纵 向传 播常 数 ， ） 场 的第 次 归一化 谐 波 ； 为电子 相 ｘ ［ｆ 志 ｚ） ３ ）ｚ］ ｅ（ 是
位 ；， ）为相对 论 因子 ； 为 电荷 圆环 的初 始轴 向速 度 ， 角括 号 （ 表 示 对 一 个 时 间周 期 内进 入 互 作 用 区的所 有 电 ＞
Ｉ ， １
摘
要 ： 双 渐 变 螺 旋 线 慢 波 结 构 是 空 间 行 波 管 中使 用 最 广 的 慢 波 结 构 之 一 。 利 用 Ｃ ｒ ｔ ｅ 信 号 程 序 ｈｉ ｉ 大 ｓｎ
对 该 慢 波 结 构 各 部 分 长 度 和 螺 距 对 行 波 管 效 率 以 及增 益 的 影 响 进 行 了 分 析 。结 果 显 示 ： 益 和 电 子 效 率 与 慢 增
到输 出端 ， 迭代 时采用 四阶龙 格库 塔法 。 求 解工 作方 程组 后得 到 电磁 场归 一化 复振 幅 以 （ ） 输 出功率 为 ，
螺旋线慢波系统的参数模拟及分析
螺旋线慢波系统的参数模拟及分析作者：徐明星吴立恒来源：《赤峰学院学报·自然科学版》 2011年第4期徐明星，吴立恒（聊城大学物理科学与信息工程学院，山东聊城 252059）摘要：微波管是微波、毫米波电真空器件中的最重要器件之一，主要包括速调管、行波管等.慢波结构则是微波管器件中的进行注波互作用并实现换能的核心部件，它的性能直接影响着微波管的性能.本文通过对矩形夹持杆型螺旋慢波结构的结构参数进行优化设置，利用相应的慢波系统模拟仿真软件，对不同结构参数对慢波结构系统的影响做了相应的研究分析，得出了慢波结构的色散特性以及耦合阻抗随慢波结构参数变化的一般规律.关键词：慢波结构；结构参数；色散特性；耦合阻抗中图分类号：O46 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2011）04-0019-031 引言在微波管器件中，谐振腔的作用主要是在间隙电子注通过的地方提供一个很高的高频电场，从而实现电子注与高频场的能量交换.电子注穿过间隙的时间虽然很短，但是由于高频电场的强度很强，仍然能够发生有效的换能.我们知道，在无介质的均匀传输系统中，行波的相速度总是大于或者等于光速，而电子的相速度总是小于光速.这就需要一种将行波的相速度降低到足够程度的电磁系统[1-3].这种电磁系统必须能够延长电子与行波的相互作用时间，必须设法将行波的相速度减慢，我们把这种电磁系统称之为“慢波系统”.由于电磁波在介质中的传播速度可以减慢到光速以下，所以原则上可以用介质做成慢波系统.常见的慢波结构一般采用周期性结构.一个最典型的例子，就是在圆波导上周期性地加载介质薄片.螺旋线慢波系统就是一种典型的慢波结构.本文中，我们采用的螺旋线慢波结构是矩形夹持杆型螺旋线慢波结构.如图1、图2所示.图1中，m为夹持杆宽度，a为螺旋线内径，c为管壳内半径；图2中，P为螺距，t为螺旋线厚度，w为螺旋线宽度.2 基本理论及变量初始设置2.1色散特性及耦合阻抗慢波结构中，行波的纵向传播相速度vp和频率f的关系成为色散特性.我们知道，慢波系统中，色散现象一般来说是存在的，即vp随频率f发生变化.因此，研究慢波系统的色散特性是十分必要的.本文研究行波的基波成分的色散特性.通常用等式（1）来定量表示慢波系统的色散特性，相应的曲线称之为色散特性曲线.耦合阻抗是表征纵向高频电场与电子注进行互作用大小的一个基本参量.耦合阻抗越高，表明慢波系统与电子注之间的能量交换效率越高.对于螺旋线慢波系统而言，能与电子注速度同步并发生有效能量交换的是空间谐波的基波成分[6].所以本文我们只考虑基波的耦合阻抗.2.2变量初始设置本论文采用的仿真模拟软件是UESTC_HelixCT 4.1，该软件是由电子科技大学研制开发的螺旋线高频系统CAD.结构参数变量初始值设置如下：螺旋线半径：a=0.6mm；管壳内半径：c=2mm；夹持杆宽度：m=0.5mm；频率范围：12—16GHz；螺旋线厚度：t=0.18mm；螺旋线宽度：w=0.5mm；螺距：P=0.8mm.我们选择使用的构成各个结构的各种材料分别为：夹持杆（氧化铍）、螺旋线（钼）、管壳（不锈钢）[7].3 仿真模拟及结果分析本节中，我们分析了慢波系统的不同结构的参数变化对慢波系统的色散特性以及耦合阻抗的影响.没有指明数值的结构参数均使用已经给出的变量初始值.3.1螺距对慢波结构的影响图3表示螺距分别为0.8mm、1.0mm、1.2mm时的色散特性曲线.图中，横轴表示频率，纵轴表示光速归一化后的相速度（图5、图7、图9同）.从图3中，我们可以看出，螺距的变化对螺旋线慢波系统的归一化相速变化比较大.而且随着螺距的增大，归一化相速也随之变大.这是因为，式中，a为螺旋线内径.所以，我们可以得出，对于一定的螺旋线内径，螺距越大，归一化相速度也随之变大.图4表示螺距分别为0.8mm、1.0mm、1.2mm时的耦合阻抗与频率关系曲线.图中，横轴表示频率，纵轴表示耦合阻抗（图6、8、10同）.从图4中，可以看出，随着螺距的增大，在频率较低的阶段耦合阻抗随之减小，而在高频段的变化则相对复杂，大体上的趋势耦合阻抗随之增大.因此我们可以得出，螺距越大，耦合阻抗衰减地越慢.3.2 螺旋线内径对慢波系统的影响图5表示螺旋线内径分别取0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm时的色散特性曲线.由图5我们可以看出，螺旋线内径对慢波系统的影响非常大，且并不完全遵循这个约等式.按照约等式，应该是内径a变大，归一化相速减小.但通过模拟，我们发现中间出现了特例.即内径从0.8mm到1.0mm变化时，归一化相速急剧减小，然而内径从1.0mm到1.2mm变化时，归一化相速又出现了幅度较大的增大.这说明，内径大小对归一化相速的影响比较复杂.图6表示螺旋线内径分别取0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm时的耦合阻抗与频率关系曲线.由图6我们可以看出，随着内径的变化，耦合阻抗发生了非常大的变化.在内径从0.6mm增大到0.8mm的过程中，耦合阻抗衰减的幅度并不是很大，而且在高频段还有一定的增大.然而，内径从0.8mm增大至1.0mm的过程中，耦合阻抗发生了急剧的衰减.这说明，对于一定的螺旋线慢波系统，内径的选取合适与否，将直接影响到慢波系统的注波互作用换能效率.3.3螺旋线宽度对慢波结构的影响图7表示螺旋线宽度分别取0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm时的色散特性曲线.由图7可以看出，当螺宽增加时，归一化相速度随之变大.但是当螺宽增加到一定程度之后，归一化相速度的增加变化幅度比较小.这说明，对于一定的螺旋线慢波系统，螺宽存在着一个使归一化相速度最大的特定值.图8表示螺旋线宽度分别取0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm时的耦合阻抗与频率关系曲线.由图8我们可以看出，当螺距增大时，耦合阻抗随之增大，但是增大的幅度不是很大.由此我们可以推测，对于一定的螺旋线慢波系统，螺宽也存在着一个使耦合阻抗最大的特定值.3.4螺旋线厚度对慢波结构的影响图9表示螺旋线厚度分别取0.18mm、0.20mm、0.22mm、0.24mm时的色散特性曲线.当螺宽较小时，归一化相速度随频率变化的幅度较小，当螺宽增大时，归一化相速度随频率变化的幅度开始变大.而且在低频段变化幅度较大，高频段变化幅度较小.图10表示螺旋线厚度分别取0.18mm、0.20mm、0.22mm、0.24mm时耦合阻抗与频率关系曲线.可以看出，螺宽对耦合阻抗的影响在低频段和高频段也有所不同.在低频段，随着螺宽的增加，耦合阻抗随之减小且幅度较大，在高频段，耦合阻抗也随之减小，但幅度减缓.4结论通过前面的仿真模拟，我们研究了矩形夹持杆型慢波结构的结构参数对慢波结构性能的影响.从中，我们可以看出，螺旋线慢波系统的性能受各结构参数的影响比较复杂.其中，螺旋线内径对螺旋线慢波结构的影响最大，选择合适的螺旋线内径对螺旋线慢波系统的设计十分重要.在螺旋线内径确定之后，螺距的适当选取也能对螺旋线慢波系统的相速度以及换能效率进行有效的调节.而螺旋线的宽度和厚度对螺旋线慢波系统的影响则相对较小.此外，在不同的频段，结构参数对慢波结构的影响也存在着一定的差异.参考文献：〔1〕吴鸿适.微波电子学原理[M].北京：科学出版社，1987.〔2〕张克潜，李德杰.微波与光电子学中的电磁理论[M].北京：电子工业出版社，1994.〔3〕钟勇.相对论速调管输出腔结构设计与优化[D].成都：电子科技大学，2006.〔4〕吴节险.慢波结构的设计及其微波特性研究[D].兰州：兰州大学，2006.〔5〕唐康淞，赵刚，等.螺旋线慢波结构高频特性的简化模拟方法[J].强激光与粒子束，2008,20（1）：133-137.〔6〕付成芳，魏彦玉，等.矩形螺旋线慢波电路高频特性的数值分析[J].真空科学与技术学报，2009,29（4）：386-390.〔7〕韩勇，刘燕文，等.不同材料管壳对螺旋线慢波系统性能的影响[J].真空科学与技术学报，2010，30（1）：84-87.。