L波段大功率全带宽波导盒型窗

　　在微波管电真空器件如速调管、行波管、磁控管中,微波输出窗扮演着一个非常重要的角色。它一方面维持器件内部真空工作状态,另一方面将微波管产生的微波功率很好地输出到外部负载。它的性能好坏直接影响着微波管的工作性能。行波管由于具有宽频带、输出功率较高的优势而在电子对抗中获得广泛应用。随着电子对抗技术的发展,迫切需要连续波宽带大功率行波管。而采用高导热夹持杆和螺旋线与管壳焊接、永磁聚焦和水冷却的螺旋线行波管已引起了广泛注意[1]。在同轴微波窗输出结构中,慢波螺旋线除通过夹持杆散热外,仅依靠连接同轴线内导体通过陶瓷窗体散热,连续波输出功率有限,但其具有宽带优势[2]。在波导输出结构中,螺旋线通过较短的金属段过渡后直接与散热能力强的波导壁连接,依靠波导壁强大导热能力将后段慢波螺旋线充分散热。此金属过渡段除完成重要的散热功能外,同时具备良好的微波传输特性。但普通波导对称盒型窗由于频带内存在鬼模谐振现象,在大功率应用场合很难获得宽频带输出,其相对带宽一般不超过20%[3-4]。此外,较同轴微波窗而言,波导盒型窗与慢波螺旋线的宽带匹配过渡也是一个设计难点。俄罗斯Toriy科研与生产联合体提出了对称和不对称无鬼模振荡全带宽波导盒型窗设计方案[5],避免了因采用薄陶瓷窗片技术而带来的真空密封工艺和承受大气压力可靠性等问题,并为此发展了盒型窗专用设计优化程序,但文中并未给出具体设计方法;同时也提出了大功率容量TE,TM模式盒型窗的设计[6]。国内关于大功率全带宽波导盒型窗研究文献很少。

　　本文提供一种适用于大功率螺旋线行波管全带宽非对称波导盒型窗的3维仿真设计与优化方法,在获得宽频带输出的同时可以有效抑制鬼模谐振现象。利用该方法获得了L波段全波导带宽(相对带宽41.4%)盒型窗结构设计参数,且频带内无鬼模存在,考虑盒型窗端接标准波导匹配过渡段后其设计驻波系数小于1.1。在S波段连续波输出功率达3 kW行波管样管中已采用了这种全带宽波导盒型窗设计技术。若考虑采用无鬼模振荡脊波导盒型窗输出方式,也可实现倍频程宽带连续波大功率输出[7-8]。

　　1　全带宽波导盒型窗一般设计

　　螺旋线行波管连续波输出功率无法大幅提高的一个主要原因是采用类似易于匹配的中小功率行波管同轴微波窗输出结构散热不良,导致大功率输出时末端慢波结构螺旋线容易被烧断,而采用散热能力较强的波导直接输出结构是有效提高螺旋线行波管连续波输出功率一项非常重要的关键技术。为充分发挥螺旋线行波管的宽带特性,必须改进常规波导宽盒型窗设计,使其工作带宽达到全波导带宽。如图1所示盒型窗,端接波导内截面尺寸宽边为a,窄边为b;窗片直径为2R₁,厚度为d;整个盒型窗腔体长度为L。图中窗片右边腔体直径较窗片直径略小(R1-R2=0.5 mm),这是考虑了薄窗片金属化密封焊接工艺要求而设计的(窗片较厚可选择R₂=R₁)。