短毫米波单交错梯形慢波电路损耗特性的研究

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1、短毫米波单交错梯形慢波电路损耗特性的研究摘要：能与现代MEMS技术兼容的单交错梯形慢波电路可应用于短毫米波小型化高功率耦合腔行波管。随着工作频率的上升，微波波段被忽略的慢波电路的导体损耗，在短毫米波段会因金属趋肤效应的加剧而大幅增加。要提高行波管的整体性能，必须考虑损耗并尽量减少它。利用三维电磁场仿真软件对该结构在短毫米波段的损耗特性进行了数值计算，分析了几何尺寸对其的影响，找到了对其影响最明显的敏感尺寸。关键词：关键词：行波管单交错梯形慢波结构损耗特性数值仿真短毫米波中图分类号：TN124　　　文献标识码：A：1．

2、引言构成耦合腔行波管的梯形慢波电路，是上世纪80年代为了简化大功率毫米波行波管的制造工艺、降低制造成本所开发出的一种改进型耦合腔链慢波结构[1]。它的优点是结构简单、制造成本低、功率容量大、散热性能好，多年来主要应用于Ka-EMS技术兼容的梯形慢波电路显然具有发展空间。单交错梯形慢波电路是梯形慢波电路中的一种，相对串联式和双交错梯形慢波电路而言，兼具适中的带宽和较高的功率容量。损耗是慢波电路的重要参量之一，损耗过大，将严重影响行波管的整体性能。对于全金属的慢波电路而言，因内部为真空，其电路的分布损耗只来自于导体损耗。

3、在微波波段，这一损耗我们常常予以忽略。然而，随着工作频率的上升趋肤效应会随之加剧，在短毫米波段，慢波结构的导体损耗会大幅增加，损耗往往会成为设计中的决定性因素，因此必须予以考虑[7]。接下来，本文即采用严格求解场论的方法，通过三维电磁仿真软件HFSS对单交错梯形慢波电路在短毫米波段的损耗特性进行较为详细的数值计算研究。此法既可降低设计成本、节约时间，又可避免传统计算带来的较大误差[2]。2．模型图1是单交错梯形慢波结构的剖面图。黄绿色区域代表铜，白色区域代表真空。其中，腔体的尺寸分别为Cavity_height和Ca

4、vity_m）图1单交错梯形慢波结构的剖面图3．损耗特性数值仿真及结果分析衰减系数(dB/period)的定义为。其中,是每周期电路的总功率损耗，包括腔内的介质损耗和金属表面电阻率引起的损耗；是系统中传输的功率流。它们都可以在模拟计算完成后，利用软件中场计算器的强大数据处理功能，通过提取慢波系统中的场强分量和功率流等计算得到。这里，构成慢波结构的材料选为铜，其电导率的理论值为。图2槽的长边对损耗特性的影响图3槽的宽边对损耗特性的影响从图2可以看出，槽的长边对损耗特性影响明显。通过增加其长度，将使衰减有所减小，槽长最长

5、时，衰减最小。从图3可以看出，槽的短边对损耗特性也有一定影响。其长度的增加，将使衰减略有减小。图4结构周期（改变铜片厚度、维持铜片间距）对损耗特性的影响图5结构周期（改变铜片间距、维持铜片厚度）对损耗特性的影响从图4和图5可以看出，两种改变结构周期的方法对损耗特性的影响差别颇大。通过改变铜片厚度来改变结构的周期（铜片间距离不变），对损耗特性影响甚微；通过增加铜片间的距离来增加结构的周期（铜片厚度不变），则会使单位长度的衰减明显减小。图6改变铜片厚度（维持周期不变）对损耗特性的影响图7注通道尺寸对损耗特性的影响此外，从

6、图6可以看出，改变铜片厚度，但维持慢波结构周期不变的情况，对损耗特性也有一些影响。厚度增加将导致衰减增加。厚度增加越多，这种影响越明显。图7则明显反映出注通道尺寸对损耗特性几乎没有影响。4．总结从上述数值模拟分析结果，可总结出其结构尺寸参量对衰减特性的影响：增加槽长、增加结构周期（增加铜片间的距离、铜片厚度不变）可以明显减少短毫米波段该慢波电路的损耗，增加槽宽、减小铜片厚度（周期不变）也可以使其有一定幅度减小，而其他尺寸的影响则非常小。在实际设计短毫米波单交错梯形慢波结构的尺寸时，以上述结论为指导，再结合其色散与耦合

7、阻抗的特性，可在尺寸选择上做适当折衷处理，以满足目标需求中对工作带宽、输出功率和效率等的具体要求。