新型反绕双螺旋线慢波系统的分析与设计

$ +,-. F$ G/422 2;96,41 48 14<;= 9416/0>4:1? 7;=,@ $ $ 图 F$ 新型反绕双螺旋线横截面示意图
#" 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’*
%& $ !’ (
’! & $ #’ $
(& $ !’ $%
)! & $ !’ $
’# & $ )’ #
(! & $ #’ $
)# & $ !’ %
! 第 "# 卷! 第 $ 期 ! *++, 年 $ 月
强
激
光
与
粒
子
束
-./- 01234 56734 6)8 0649.:53 ;36<7
%&’( "# ， )&( $! *++,! 6=>( ，
文章编号： ! "++"?$@** （ *++, ） +$?+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
! )（ * B） ! #! +
（#）
（!）
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。
LE!
强
激
光
与
粒
子
束
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