一種新型寬頻帶交錯雙柵輸入輸出結構的設計謝文球1，2樊宇1,2馬同禮1,2王自成1羅積潤1趙鼎1田文杰3

1(中國科學院電子學研究所,北京100190)2(中國科學院大學,北京100049)3(北京信息科技大學，北京，100089)摘要：本文針對原有交錯雙柵結構輸入輸出系統(tǒng)較復雜的缺點，設計了一種新型寬頻帶交錯雙柵輸入輸出結構，該輸入輸出結構具有長度較短，易于加工，在寬頻帶范圍內(nèi)端口反射系數(shù)小，對電子槍和收集極的隔離度高等優(yōu)點。將該結構應用于一支94GHz交錯雙柵帶狀注行波管的設計，采用CST-MWS仿真獲得了良好的信號傳輸特性。關鍵詞：交錯雙柵；輸入輸出結構;S參數(shù)；帶狀注行波管；CST-MWSTheDesignofanInput/outputStructurefortheStaggeredDoubleGratingandItsVerificationbythePICsimulationXIEWen-qiu1,2,FANYu1,2,MATongli1,2,WANGZi-cheng1,LUOJi-run1,ZHAODing1(InstituteofElectronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China)(UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)(BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,Beijing100085,China)Abstract:Becausetheinput/outputstructuresforthestaggereddoublegratingdesignedbytheformerresearchersarequitecomplex,anovelwidebandinput/outputstructureforthestaggereddoublegratingisdesignedhere,whichhasthemeritsofsimplestructure,lowreflectionandhighisolationinawidefrequencyband.Exampleisgivenfora94GHzSBTWT,theCST-MWSsimulationresultsshowtheSparametersaresatisfactory.Keywords：staggereddoublegrating;input\outputstructure;Sparameter;sheetbeamTWT;CST-MWS引言近年來，交錯雙柵慢波結構在毫米波和太赫茲源的研究中受到關注［1-3］。這種慢波結構通過在矩形波導兩個寬邊上分別周期性放置兩排保持一定位錯的矩形金屬柵得到。位錯的引入雖然降低了基波強度，但高次諧波得到了顯著增強，與高次諧波同步所需的電子注電壓降低。引入位錯后，雙柵結構的基模TExl0模不再是Y向反對稱模，通道中的橫向場分量Ey減弱，縱向場分量Ez增強，給注波互作用提供了有利條件，此時慢波結構可工作于基模，提高了穩(wěn)定性。交錯雙柵作為毫米波和太赫茲行波管、返波振蕩器、自由電子激光等的高頻慢波電路時，具有高頻損耗較小、增益較高、帶寬較大等優(yōu)點，是一種有高頻應用潛力的全金屬慢波結構。但需要指出的式，不同于折疊波導，交錯雙柵在過渡到輸入輸出矩形波導時需要設計合理的基金項目：國家自然科學基金(61172016,11205162)；北京市自然科學基金(KZ201511232037)模式變換器，將慢波結構中傳播的具有較強縱向場分量的TExl0模轉化為在矩形波導中傳播的TE10模，此外，還需要設計合理的隔離器，實現(xiàn)高頻互作用系統(tǒng)和電子槍與收集極的隔離。前人為交錯雙柵結構設計過反射系數(shù)小，隔離度較高的輸入輸出結構［1-3］，但它們都具有結構較為復雜，長度較長的缺點。結構復雜會增加微精細加工難度和制造成本，而長度較長會進一步增加帶狀電子注的聚焦困難。針對這一現(xiàn)狀，本文基于設計了較為簡單的輸入輸出結構。該結構在寬頻帶范圍具有反射系數(shù)小，隔離度高的特點。將該結構應用于一支94GHz的帶狀注行波管的設計，采用CST-MWS電磁場模擬程序驗證了該結構的有效性。1輸入輸出結構的設計思想輸入輸出結構的功能是將電磁波高效地饋入慢波系統(tǒng)，將放大后的電磁波盡可能地傳輸至輸出波導。同時希望耦合至電子槍和收集極的電磁能量盡可能小。交錯雙柵系統(tǒng)的輸入輸出結構設計有困難的主要原因是(1)電子注通道寬度與波導寬度一樣，信號在其中并不截止；(2)矩形波

導連接到矩形柵，引入的結構不連續(xù)性大，造成較大反射。在文獻［4］中，我們在單矩形柵波導的E面開口連接矩形波導,這樣矩形波導中的基模TE10模通過開口傳播到矩形柵波導中時，一部分Ey分量自然地成為矩形柵波導的Ez分量。仿真表明，這種設計方案能夠獲得較小的反射系數(shù)。我們將該設計思路應用在交錯雙柵結構中，初步設計出如圖1所示的輸入輸出結構。在端口1饋入信號，獲得的S參數(shù)如圖2所示?？梢钥闯鲂盘柕姆瓷漭^大，S11在-10dB左右，耦合至電子槍-40dB以下。仿真結果表明，該輸入輸出結構具有良好的信號傳輸效果。和收集極的信號大于-10dB，傳輸系數(shù)在-5dB左右，傳輸損耗很大。aaPORT】z2yyz2z3Port2輸出）Port1輸入）Port3至電子槍）Jort4至收集極）圖1.初步設計的交錯雙柵輸入輸出結構圖3.Bragg反射器圖2.初步設計的輸入輸出結構的S參數(shù)圖4.Bragg反射器的信號隔離特性圖5.加載導連接到矩形柵，引入的結構不連續(xù)性大，造成較大反射。在文獻［4］中，我們在單矩形柵波導的E面開口連接矩形波導,這樣矩形波導中的基模TE10模通過開口傳播到矩形柵波導中時，一部分Ey分量自然地成為矩形柵波導的Ez分量。仿真表明，這種設計方案能夠獲得較小的反射系數(shù)。我們將該設計思路應用在交錯雙柵結構中，初步設計出如圖1所示的輸入輸出結構。在端口1饋入信號，獲得的S參數(shù)如圖2所示?？梢钥闯鲂盘柕姆瓷漭^大，S11在-10dB左右，耦合至電子槍-40dB以下。仿真結果表明，該輸入輸出結構具有良好的信號傳輸效果。和收集極的信號大于-10dB，傳輸系數(shù)在-5dB左右，傳輸損耗很大。aaPORT】z2yyz2z3Port2輸出）Port1輸入）Port3至電子槍）Jort4至收集極）圖1.初步設計的交錯雙柵輸入輸出結構圖3.Bragg反射器圖2.初步設計的輸入輸出結構的S參數(shù)圖4.Bragg反射器的信號隔離特性圖5.加載Bragg反射器的交錯雙柵輸入輸出結構S-ParameterMagnitudeindB80 85 90 95 100 105 110 115圖6.加載Bragg反射器的交錯雙柵輸入輸出結構S參數(shù)仿真時發(fā)現(xiàn)，令與輸入輸出端口相鄰的矩形槽的深度比正常慢波結構的槽深度小一些，可以以進一步達到阻抗匹配，改善信號的輸入輸出。加入槽深度漸變參數(shù)y1后,采用了CST-MWS自帶的參數(shù)優(yōu)化模塊使用單純形法進行S參數(shù)的優(yōu)化。經(jīng)過優(yōu)化,最后給出的具體的尺寸參數(shù)如下：a1=2.2mm,a2=2.9mm,h1=0.35mm,z1=0.836mm,z2=0.824mm,z3=0.912mm, y1=0.08mm ,a=1.85mm,p=1.12mm,d=0.84mm。尺寸標注如圖7所示。在該組尺寸參數(shù)下,信號的傳輸特性如圖8所示?？梢钥闯?在80-110GHz頻率范圍內(nèi),輸入端口的信號反射小于-20dB,同時對電子槍和收集極的信號隔離度也保持在-40dB以下。需要指出的是，在文獻[1]中為W波段帶狀注行波管設計的輸入輸出結構,長度在1cmm以上,而本文設計的輸入輸出結構，長度約為4mm，且本文設計的結構比文獻[1]-[3]中提出的機構都要簡潔很多。4結論為帶狀注交錯雙柵行波管設計了新型的輸入輸出結構，仿真結果表明，優(yōu)化設計參數(shù)后，在80~110GHz范圍內(nèi)信號的反射在-20dB以下，同時對電子槍和收集極的信號隔離度也達到了-40dB以下。此外，新型輸入輸出系統(tǒng)簡潔，長度較短，有利于保持整管的緊湊性，減輕帶狀注的聚焦困難。該輸入輸出結構的設計思路也可以運用于其他頻段，預計其在高功率寬頻帶帶狀注交錯雙柵毫米波和太赫茲波行波放大器中有潛在的應用價值。參考文獻J.Laietal.,“W-band1-kWstaggereddouble-vanetraveling-wavetube,”IEEETrans.ElectronDevices,2012,59(2),496-503.Y.-M.Shin,A.Baig,L.R.Barnett,W.-C.Tsai,andN.C.Luhmann,Jr.,“Systemdesignanalysisofa0.22-THzsheet-beamtraveling-wavetubeamplifier,”IEEETrans.ElectronDevices,2012,59(1)234-240.YuanZheng,JianxunWang,andYongLuo“ExtremelyBroadBandwidthInput/OutputCouplingStructureDesignforaQ-BandSheet-BeamTraveling-WaveTube”IEEETRANSACTIONSONPLASMASCIENCE,2014,42(10),3339-3343.