阶梯槽交错双栅慢波结构高频特性理论和模拟

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．1(2014)014101阶梯槽交错双栅慢波结构高频特性理论和模拟谢文球I)2)t王自成)罗积润)刘青伦)李现霞)1)(中国科学院电子学研究所，北京100190)2)(中国科学院大学，北京100049)(2013年7月17日收到；2013年9月13日收到修改稿)本文基于一种阶梯槽交错双栅周期慢波结构模型，获得了该结构中的电磁场分布公式．通过场匹配方法，求出了该结构的高频色散方程和耦合阻抗表达式．以W波段行波管用的阶梯槽交错双栅为例，利用本文公式和CST—MWS电磁软件比

2、较计算了色散和耦合阻抗特性，分析了阶梯尺寸参数对高频特性f基模色散、+1次空间谐波归一化相速和耦合阻抗)的影响．结果表明，理论和CSTMWS软件模拟有很好的一致性；相对矩形交错双栅，改善了色散特性，拓展了基模带宽，同时具有足够大的耦合阻抗和适合工程应用的机械强度，在⋯定程度上可以弥补矩形交错双栅周期慢波结构的不足．关键词：场匹配法，阶梯槽，交错双栅周期慢波结构，高频特性PACS：41．20．Jb，42．25．GyDOI：10．7498／aps．63．014101响，发现半周期位错具有最大的耦合阻抗和基模带1弓}言宽．文中表

3、明，可以通过减小矩形栅厚度以增强纵向电场，进一步改善注波耦合，但栅的加工和机械近年来，交错双栅慢波结构在毫米波和太赫强度便成为新的问题．为此本文构建一种阶梯槽交兹源的研究中受到关注[1-7]这种慢波结构通过在错双栅慢波结构，希望在保证足够机械性能和良好矩形波导两个宽边上分别周期性放置两排保持一注波耦合阻抗基础上，进一步改善交错双栅的色散定位错的矩形金属栅得到．位错的引入虽然降低特性．了基波强度，但高次谐波得到了显著增强，与高次谐波同步所需的电子注电压降低[11引．对称双排栅2阶梯槽交错双栅的电磁传播理论的基模TE10模是y

4、向反对称模，通道中纵向电场很弱，无法在一O形器件中利用．虽然第一高次模2．1阶梯槽交错双栅结构的电磁场描述TE1】模是y向对称模，有较强纵向电场，但工作于该模易引入模式竞争等不稳定因素【3]_引入位阶梯槽交错双栅慢波结构如图1所示，P代表错后，双栅结构的基模TE】0模不再是y向反对称慢波周期，d1，d2代表阶梯跨度，hl，h2代表阶梯高模，通道中的横向场分量蜀，减弱，纵向场分量度，槽的总深度h=h1+h2，2g为上下两排栅间距，增强，给注波互作用提供了有利条件，此时慢波结s为上下两排栅的位错，a为波导宽度．在本文的研构可工

5、作于基模，提高了稳定性[0，．交错双栅作究中始终有P>d1≥d2．在这种基于矩形波导的为毫米波和太赫兹行波管、返波振荡器、自由电子慢波结构中建立电磁场表达式时宜采用直角坐标激光等的高频慢波电路时，具有高频损耗较小、增系．由该结构所支持的电磁模式是相对于X方向的益较高、带宽较大等优点，是一种有高频应用潜力横电模，即TE模，=0．场在X方向由于金属的全金属慢波结构[1-7】．文献f4]讨论了矩形交错壁的限制为驻波形式．这类慢波结构适合在带状注双栅的高频特性，分析了位错大小对高频特性的影器件中使用，带状电子注在两排栅的间隙中通过

6、．国家自然科学基金(批准号：61172016)资助的课题十通讯作者．E-mail：xiewenqiui1@mails．ucas．ac．ca◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSociety￡tp：／／wulixb．iphy．ac．c佗014101—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．1(2014)014101I图l阶梯槽交错双栅慢波结构下面考虑场表达式时暂不包含带状电子注在II区由于栅的阻挡，场解在向写为无限本征内，即只讨论“冷”高频特性．阶梯槽交错双栅慢驻波之和的形式，由边界条件I：0

7、，：d=0得波结构分为5个区(图1)：互作用区I和槽区II，III，o。以及槽区IV，V．从也出发，根据麦克斯韦方程组HxII=∑【nF(2)+6c(z)]m=O推得各区中其他场分量的表达式．为了简单起见，⋯s仅写出匹配所需的也和E2分量．讨论的场为时嬲(百)，』咖n(kzx)，谐场，略去了时间因子ej．且略去了场表达式jwpolmF=中I区传播的是沿着方向的行波，根据模型假设，∑m)+braG'(m=O在方向具有e-jfl的形式．考虑z方向周期．m×c。s性，据Floquet定理，场展开为无限项空间谐波之和d＼Ttz)s

8、in()．(4)的形式．根据以上条件写出I区内的场表达式当(mn／d1)。+一后>0时，=∑[F(Vny)+BnG(Vn)】1．m=、／／(m／d1)+；一尼2，F(1my)：sinh(／)，×sin(k。X)e～一，(1)G(1my)=cosh(1)，E=∑[AnF(Vny)+Gvn)]F(Imy)=