變態(tài)N型微帶曲折慢波結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的高頻特性研究

1、文章編號(hào)：V波段變態(tài)N型微帶曲折慢波結(jié)構(gòu)高頻特性研究王森林、魏彥玉、程兆亮、沈飛、徐進(jìn)、鞏華榮、唐濤、宮玉彬、王文祥（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，微波電真空器件國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610054）摘 要：本文提出了變態(tài)N型微帶線慢波結(jié)構(gòu)，分析了這種結(jié)構(gòu)在V波段的色散特性、耦合阻抗。并且利用高頻仿真軟件HFSS分析了結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)高頻特性的影響。結(jié)果表明，變態(tài)N型慢波結(jié)構(gòu)常規(guī)N型結(jié)構(gòu)具有更高的耦合阻抗。關(guān)鍵詞：變態(tài)N型微帶慢波結(jié)構(gòu)；色散特性；耦合阻抗；V波段；平面行波管中圖分類號(hào)： TN124文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A1、引言毫米波功率模塊（MMPM）是近年來(lái)繼微波功率模塊之后研制出來(lái)的放大器器件，它主要是由

2、毫米波行波管（TWT)、前置固態(tài)放大器、增益均衡器、調(diào)制器和高壓電源集成在一起組成。毫米波功率模塊結(jié)合了固態(tài)器件和行波管放大器的特點(diǎn)，具有小體積，高輸出功率，高效率的優(yōu)點(diǎn)，在軍事上（如相控陣?yán)走_(dá)）和商業(yè)上都有很大用途1。傳統(tǒng)的行波管主要包括耦合腔行波管和螺旋線行波管，在應(yīng)用到毫米波功率模塊時(shí)都遇到了一定的技術(shù)難題，而采用低電壓的平面慢波線行波管是解決該問(wèn)題的一個(gè)新的研究方向。單根微帶線在介質(zhì)平板上沿z方向按一定空間周期p重復(fù)排列，就構(gòu)成了無(wú)限陣列平行微帶線，再將相鄰微帶線在橫向交替連接并放置在介質(zhì)板上，就構(gòu)成了微帶型曲折線周期性慢波結(jié)構(gòu)23。微帶型慢波結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單、成本低、適合大規(guī)模生產(chǎn)，

3、并且這種平面慢波結(jié)構(gòu)一般采用帶狀電子束，降低了空間電荷效應(yīng)，在可以增大總的電流強(qiáng)度。目前已開(kāi)展了對(duì)N型微帶線、U型微帶線以及V型微帶線用作行波管慢波結(jié)構(gòu)的研究并取得了一定成果4-10。本文提出了兩種變態(tài)的N型微帶線，并對(duì)其高頻特性進(jìn)行了研究。2、變態(tài)的N型微帶曲折線模型本文提出的變態(tài)N型微帶曲折線模型如圖一所示，它是在常規(guī)N型模型的微帶線中央變形為矩形方框而形成。文中研究的慢波結(jié)構(gòu)尺寸為：微帶線寬度w=0.02mm，厚度t=0.01mm，周期p=0.24mm；介質(zhì)基底Al2O3，厚度h1=0.2mm；空氣框高度h=0.5mm，寬度a=0.612mm；其中矩形框內(nèi)寬度l3=0.01mm、長(zhǎng)度l4

4、=0.05mm，矩形框外微帶長(zhǎng)度l2=0.08mm。 Fig.1 Modal and dimensional parameters of modified-shaped microstrip meander-line SWS圖1變態(tài)N型微帶線慢波結(jié)構(gòu)模型和參數(shù)3、高頻特性分析本文利用高頻仿真軟件HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)的高頻特性進(jìn)行仿真和優(yōu)化，比較了變態(tài)的N型微帶曲折線慢波結(jié)構(gòu)與常規(guī)的N型微帶曲折線慢波結(jié)構(gòu)的色散特性和耦合阻抗，如圖2所示，在相同結(jié)構(gòu)尺寸下，變態(tài)的N型結(jié)構(gòu)相對(duì)于常規(guī)N型結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)頻帶略微降低，色散曲線基本沒(méi)有變化，但變態(tài)的N型結(jié)構(gòu)的耦合阻抗有了較大提高。然后本文分析了所加的方框尺寸l3、

5、l4以及基底厚度h1對(duì)變態(tài)N型結(jié)構(gòu)高頻特性的影響，如圖3-6所示；其它參數(shù)例如微帶線厚度t，空氣框的高度h等特性已有類似研究，本文不作重點(diǎn)。從圖3可以看出，在矩形框的z方向上，隨著矩形框l3距離的增加，慢波結(jié)構(gòu)的頻帶變窄，色散特性逐漸變強(qiáng)，耦合阻抗有所提高。在周期較小的情況下，l3的變化范圍太小，不利于加工。從圖4可以看出，在矩形框的橫向方向上，隨著l4距離的增加，慢波結(jié)構(gòu)的色散特性也逐漸變強(qiáng)，耦合阻抗也逐漸提高，l4在橫向方向變化空間較大，可根據(jù)實(shí)際需求取值。從圖5可以看出，在介質(zhì)基底材料不變的情況下，隨著介質(zhì)基底厚度h1增加，慢波結(jié)構(gòu)的歸一化相速也在提高，色散曲線增強(qiáng)，耦合阻抗隨之增加，也

6、需要根據(jù)實(shí)際需求取值。Fig.2 Dispersion characteristics and interaction impedance of the two SWSs圖2兩種結(jié)構(gòu)的色散特性和耦合阻抗的比較 Fig 3 (a) Dispersion characters versus l3Fig 3 (b) Interaction impedance versus l3 圖3(a)色散特性隨l3變化圖3(b)耦合阻抗隨l3變化Fig 4 (a) Dispersion characters versus l4Fig 4 (b) Interaction impedance versus l4圖4

7、(a)色散特性隨l4變化圖4(b)耦合阻抗隨l4變化 Fig 5 (a) Dispersion characters versus h1Fig 5 (b) Interaction impedance versus h1圖5(a)色散特性隨h1變化圖5(b)耦合阻抗隨h1變化 4、總結(jié)本文利用HFSS電磁仿真軟件對(duì)變態(tài)的N型微帶線平面慢波結(jié)構(gòu)的高頻特性進(jìn)行了研究，研究表明：相對(duì)于常規(guī)N型微帶平面慢波結(jié)構(gòu)，變態(tài)的N型結(jié)構(gòu)的頻帶和色散基本保持不變，而耦合阻抗有較大提高；矩形框的橫向尺寸對(duì)高頻特性有一定影響，其數(shù)值根據(jù)帶狀電子注寬度而定，縱向尺寸縮為零后可以變?yōu)閷?shí)心方塊結(jié)構(gòu)；介質(zhì)基底厚度變化情況為行波

8、管輸能系統(tǒng)的研究提供了一定的參考。上述分析為進(jìn)一步發(fā)展V波段微帶線行波管提供了理論參考。參考文獻(xiàn):1Fei Shen,Yanyu Wei,Xiong Xu; A Novel V-Shaped Microstrip Meander-Line Slow-Wave Structure for W-band MMPM;IEEE Transactions On Electron Devices;VOL.40, NO.2, February 20122A. K. Agrawal, Dispersion in N Coupled Microstrip Meanders, IEEE Trans. on MTT

9、,August，1980, 28(8)3張大勇,馮進(jìn)軍,等. 微帶型曲折慢波結(jié)構(gòu)冷測(cè)特性的計(jì)算機(jī)仿真J. 電子器件, 2006,29(4):1223-1226.4Shen Fei, Wei Yanyu et al. Cold-test characteristics simulation of a V-type microstrip meander-line slow-wave structure. Proceeding of 2010 8th International Vacuum Electron Sources Conference and Nanocarbon, Nanjing, C

10、hina, October 14-16, 2010, pp: 288-289.5陳常婷,宮玉彬,沈飛,魏彥玉,王文祥；一種新型微帶曲折線慢波結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；真空電子技術(shù)，2011年 第02期6沈飛;魏彥玉;一種V形微帶曲折線慢波結(jié)構(gòu)的研究A;中國(guó)電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)第十八屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集C;2011. 7沈飛，魏彥玉；140GHz菱形微帶曲折線慢波結(jié)構(gòu)行波管的模擬計(jì)算；強(qiáng)激光與粒子束，2012年01期8Shen Fei, Wei Yan-Yu, Study on a W-band modified V-shaped microstrip meander-line traveling-wave t

11、ube ,Chin. Phys. B Vol. 21, No. 6 (2012) 0642109Fei Shen, Yanyu Wei, Xiong Xu; Symmetric Double V-Shaped Microstrip Meander-Line Slow-Wave Structure for W-Band Traveling-Wave Tube;IEEE Transactions On Electron Devices;Volume:59,Issue: 5;May 201210 Shen Fei.Wei Yanyu,140-GHz V-Shaped Microstrip Meand

12、er-Line Traveling Wave Tube, Journal of Electromagnetic Waves and Applications, Volume 26, Number 1, 2012 , pp. 89-98(10)The high-frequency characteristics of a modified N-shaped microstrip meander-line slow-wave structureWang Senlin, Wei Yanyu, Cheng Zhaoliang, Shen Fei, Xu Jin, Gong Huarong, Tang

13、Tao,Gong Yubin, Wang Wenxiang(National Key Laboratory of Science and Technology on Vacuum Electronics, School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054, Sichuan, China)Abstract: This paper presents a modified N-shaped microstrip slow-wave stru

14、cture .The dispersion characteristics, coupling impedance of this structure are analyzed at v-band. And we use HFSS which was one of the high frequency simulation software to analyze the influence of the structural dimensions of high-frequency characteristics. The results show that the modified N-shaped microstrip meander-line slow-