一種超寬帶雙信道速調(diào)管輸出回路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)

張志強(qiáng) 羅積潤 張兆傳

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一種超寬帶雙信道速調(diào)管輸出回路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)

張志強(qiáng)*羅積潤 張兆傳

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京100190)(中國科學(xué)院高功率微波源與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100190)

該文介紹了一種超寬帶雙信道速調(diào)管輸出回路的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)過程。以Ansoft HFSS軟件為設(shè)計(jì)平臺，在S波段設(shè)計(jì)出一個(gè)帶寬超過550 MHz的超寬帶雙信道雙間隙耦合腔輸出回路。設(shè)計(jì)了信道轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，并分別確定了兩個(gè)信道的諧振腔參數(shù)。得出了不改變兩個(gè)諧振腔參數(shù)，只需調(diào)節(jié)耦合槽的尺寸就能夠?qū)崿F(xiàn)信道轉(zhuǎn)換的結(jié)論。通過對HFSS軟件建立的模型進(jìn)行計(jì)算，得到了雙間隙耦合腔輸出回路中各模式的頻率，與冷測結(jié)果基本一致。利用集中元件等效電路法計(jì)算了雙間隙耦合腔輸出回路的間隙阻抗，計(jì)算結(jié)果與冷測結(jié)果基本一致。

速調(diào)管；超寬帶雙信道輸出回路；雙間隙耦合腔；信道轉(zhuǎn)換；耦合間隙阻抗

1 引言

近年來，大功率寬帶速調(diào)管在國土防空情報(bào)雷達(dá)中的應(yīng)用日益廣泛，隨著反輻射導(dǎo)彈等反雷達(dá)技術(shù)的不斷提升，國土防空情報(bào)雷達(dá)要求速調(diào)管能夠在不降低其它戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的前提下盡可能地提供更寬的頻帶寬度，以滿足雷達(dá)捷變頻的需要，在電子對抗中占據(jù)優(yōu)勢地位。與行波管等電真空器件相比，速調(diào)管是一種窄帶器件，具有其它器件無法比擬的功率量級，最高峰值功率可達(dá)百兆瓦級[1]，因此在雷達(dá)中得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)都希望能夠盡可能地展寬速調(diào)管的帶寬，以滿足雷達(dá)進(jìn)行電子對抗的需要。目前，寬帶速調(diào)管已經(jīng)在國內(nèi)外很多軍事裝備上得到了應(yīng)用。在國外，美國CPI公司研制生產(chǎn)的分布作用速調(diào)管VKS-8347代表了世界寬帶速調(diào)管的領(lǐng)先水平，其峰值功率為1.25 MW，平均功率為50 kW，帶寬達(dá)到12%。在國內(nèi)，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所的兩種型號用于國土防空雷達(dá)的寬帶大功率速調(diào)管分別在700 kW和800 kW的功率電平下達(dá)到了大于10%的帶寬。

2 輸出回路的設(shè)計(jì)和計(jì)算

本設(shè)計(jì)采用雙間隙耦合腔輸出回路作為基本單元，利用其耦合機(jī)構(gòu)的變化實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信道間的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶的目標(biāo)。所設(shè)計(jì)的總頻率范圍為：2.80~3.35 GHz，帶寬550 MHz，分為兩個(gè)部分。第1部分頻帶為2.8~3.1GHz，帶寬為300 MHz，第2部分為3.05~3.35 GHz，帶寬為300 MHz。這兩個(gè)部分的帶寬有50 MHz的重疊，因此實(shí)現(xiàn)的總帶寬為550 MHz。

2.1 雙間隙耦合腔輸出回路的基本理論

雙間隙耦合腔輸出回路等效為圖3所示的分布參數(shù)等效電路，由此電路可以推導(dǎo)出雙間隙耦合腔輸出回路中存在的3個(gè)模式及各模式對應(yīng)的頻率。

(2)

圖1 雙間隙輸出回路

圖2 耦合機(jī)構(gòu)

圖3 雙間隙耦合腔輸出回路的等效電路

圖4 雙間隙耦合腔輸出回路各模式間的關(guān)系

因此只要設(shè)計(jì)出一個(gè)合適的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，研制帶寬達(dá)到550 MHz的超寬帶雙信道雙間隙耦合腔輸出回路是可行的。

2.2 雙信道輸出回路的計(jì)算

利用Ansoft HFSS 軟件可分別計(jì)算分析出短槽和長槽狀態(tài)下的輸出回路分別存在哪些模式。所用的方法是：將圖1所示的雙間隙耦合腔輸出回路視為單端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，先計(jì)算出波導(dǎo)端口處的反射系數(shù)11，再對11的相位進(jìn)行微分，得到該單端口網(wǎng)絡(luò)的群時(shí)延曲線，對群時(shí)延曲線進(jìn)行分析，曲線的峰值處，也就是相位變化劇烈的位置即為所要得到的頻率。這種方法稱為反射系數(shù)相位分析法。

圖5 短耦合槽模型

圖6 長耦合槽模型

2.2.3間隙阻抗的計(jì)算 根據(jù)文獻(xiàn)[10]的推導(dǎo)結(jié)果，可依據(jù)圖3的等效電路，按式(7)，式(8)，式(9)編程計(jì)算短槽耦合和長槽耦合的間隙阻抗分布參量。11和11分別為第1間隙阻抗的實(shí)部和虛部；22和22分別為第2間隙阻抗的實(shí)部和虛部。12和12分別為兩個(gè)間隙互阻抗的實(shí)部和虛部。

式(7)~式(9)中

圖7 短槽耦合時(shí)各模式S11的相位曲線

圖8 短槽(112°)耦合時(shí)的群時(shí)延曲線

圖9 長槽(196°)耦合時(shí)的群時(shí)延曲線

圖10 頻帶第1部分(短槽耦合)間隙阻抗

圖11 頻帶第2部分(長槽耦合)間隙阻抗

2.3 雙信道輸出回路的設(shè)計(jì)

要用一個(gè)耦合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信道，必須要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)兩種不同角度耦合槽的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)由圖12所示的耦合板和圖13所示的兩片滑塊組成，耦合板和兩片滑塊組合在一起后，滑塊可在耦合板上沿耦合槽自由滑動(dòng)，以控制耦合槽的開槽角度。圖14和圖15所示是根據(jù)計(jì)算結(jié)果，通過控制滑塊實(shí)現(xiàn)的短槽(112°)狀態(tài)和長槽(196°)狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

將反射系數(shù)相位法計(jì)算分析得到的模式頻率、計(jì)算間隙阻抗時(shí)得到的模式頻率與冷測結(jié)果分析得到的各模式頻率匯總列表(表1)進(jìn)行比較，可清晰看到，無論短槽耦合還是長槽耦合，從3個(gè)不同分析途徑獲得的各模式頻率很相近，取得了較好的一致性，同時(shí)也證明了設(shè)計(jì)的合理性。

圖12 耦合板結(jié)構(gòu)圖

圖13 滑塊結(jié)構(gòu)圖

圖14 短槽狀態(tài)

圖15 長槽狀態(tài)

圖16 短槽耦合時(shí)的間隙阻抗冷測曲線

圖17長槽耦合時(shí)的間隙阻抗冷測曲線

表1反射系數(shù)相位計(jì)算、間隙阻抗計(jì)算及冷測結(jié)果得到的各模式頻率對比(GHz)

各模式頻率獲得途徑短槽耦合長槽耦合 模模模模 反射系數(shù)相位法計(jì)算2.863.033.063.32 間隙阻抗計(jì)算2.853.063.093.33 冷測結(jié)果2.853.053.113.31

4 結(jié)束語

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張志強(qiáng)： 男，1975年生，高級工程師，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué).

羅積潤： 男，1957年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué).

張兆傳： 男，1965年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué).

Design and Experiment of a Super-wide Band Output Circuit with Two Channels for Klystron Applications

Zhang Zhi-qiang Luo Ji-run Zhang Zhao-chuan

(,,100190,)(,,100190,)

The design ideas and performance process of a super-wide band and two channels output circuit on a klystron are presented. A super-wide band two-channel double-gap coupled-cavity output circuit, whose bandwidth is over 550 MHz, is designed at S band by Ansoft HFSS. A channel switch structure is designed, and the resonance parameters of the two channels are determined. Then, a conclusion is made that channels can be switched easily through tuning the coupled-slot without changing the parameters of the two cavities. The frequencies of each mode in the double-gap coupled-cavity output circuit are simulated through calculating the model by Ansoft HFSS. The frequencies of each mode accord with the “cold test” mainly. The gap impedance of double-gap coupled-cavity, which is simulated byanalysis of equivalent lumped element circuit, also accords with the “cold test” very well.

Klystron; Super-wide band and two-channel output circuit; Double-gap coupled-cavity; Channel switch; Impedance of coupled-cavity gap

TN122

A

1009-5896(2014)05-1247-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01059

張志強(qiáng) zqzhang@mail.ie.ac.cn

2013-07-19收到，2013-11-08改回