速调管谐振腔特性参数的确定方法

速调管谐振腔特性参数的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波及毫米波电真空器件技术领域，尤其涉及速调管谐振腔特性参数 的确定方法。
【背景技术】
[0002] 速调管自从1939年诞生以来，已经从最初简单的双腔速调管发展到了目前普遍采 用重入式圆柱腔、同轴腔、哑铃形腔、扩展互作用腔、滤波器加载多间隙腔等各种复杂高频 结构的阶段，与此相适应，电子注形式则包括单注、多注和带状注方案。速调管能够产生高 频率的脉冲或连续波功率输出，同时由于其自身结构的特点一电子枪、互作用区和收集极 相互分离，因而又具有很高的功率容量和可靠性。速调管作为一种高功率、高增益和高效率 的微波、毫米波放大器件，同时兼具工作稳定可靠和长寿命的优点，这使其在科学研究、国 防建设和工业生产领域获得了广泛的应用。目前，通过开发新的设计工具和应用新的工艺 手段，将速调管的工作频率进一步向亚毫米波和太赫兹频段提升依然是各主要国家相关科 研机构的研究热点。
[0003] 速调管的谐振腔通过间隙电场与电子注互作用进行能量交换，输入腔中，外部馈 入的激励功率在谐振腔间隙建立起时变电场，对入射的直流电子注进行调制，使之轴向速 度发生变化;群聚腔中，具有谐波电流成分的电子注激励起腔场，并反过来受到腔场的调制 而获得进一步的群聚;输出腔中，高度群聚的电子注受到相位相反的腔场减速而向外交出 能量，放大的电磁波通过波导输出到负载。因此，腔体的特性参数对速调管注波互作用的效 率有重要影响，进而决定着器件整体性能的优劣。这其中，谐振腔的特性阻抗取决于腔体结 构，在设计阶段已基本确定，而谐振频率和品质因数则需要进行实际测量并据此做出调整。 尤其是对于输入、输出腔，由于与外部电路存在能量交换，上述参数的准确测量将更为重 要。
[0004] 中国科学院电子学研究所在2007年发表的论文(群时延时间法求解速调管输出腔 的外观品质因数Qext，张丁，曹静，缪亦珍等，真空科学与技术学报，V 01.27，N0.5，pp.391-394)中描述了一种确定谐振腔频率和外观品质因数的方法，参考图l。按照该方法，首先在 电磁分析软件CST中建立谐振腔的三维模型，由软件计算出群时延曲线，群时延曲线峰值位 置对应的横坐标fo即为腔体的谐振频率，将曲线峰值^代入公式Q = 3if()Tg/2则可计算出谐 振腔的外观品质因数。论文中指出，通过与实验结果以及ISFEL3D中反射相位法所得结果的 比较，该方法的正确性和有效性得到了验证。进而推知，可以直接使用CST软件对谐振腔的 具体结构做进一步优化。
[0005] 对于上述张丁等人所述的方法，其成立的前提是输出腔的固有品质因数Q〇远大于 外观品质因数Qe，即腔内电磁场能量的丧失主要源于供给外部负载而非腔体的自身损耗。 但在毫米波速调管中，谐振腔体积很小且为提高特性阻抗常采用多间隙结构，此时，鉴于高 频电磁场在金属表面的损耗较大，同时还伴随着腔内表面积增加的不利因素，因而有可能 导致谐振腔的Qo与Q e在数值上接近，甚至出现Qo〈Qe的情形，此时，张丁等人所述的方法不再 适用。
[0006] 由上述方法的流程可见，设计者似乎可以直接根据电磁分析软件CST的结果加工 实际腔体的结构。实际上，由于数值计算软件的结果准确性极大地依赖于网格剖分方法、网 格数量、结构细节的近似程度以及复杂边界的处理方法，因此，在具体指导实际腔体设计 时，首先需要通过与实验结果的比对来校验其准确性，之后在合适的参数设置和工作环境 下才可进一步对腔体结构进行优化，尤其是对于形状复杂的高频率谐振腔，这一过程非常 重要，通常不能省略。

【发明内容】

[0007] (一)要解决的技术问题
[0008] 为了解决相关技术中的上述问题，本发明提供速调管谐振腔特性参数的确定方 法，本发明对过耦合和欠耦合的谐振腔均能适用，有效克服了现有技术中群时延曲线仅对 过耦合谐振腔有意义的缺点，可用于速调管高损耗谐振腔特性参数的确定和优化。
[0009] (二)技术方案
[0010] 根据本发明的一方面，提供一种速调管谐振腔特性参数的确定方法，速调管谐振 腔特性参数包括所述谐振腔腔体的谐振频率和谐振腔的品质因数，所述方法包括以下步 骤:群时延曲线测量步骤，在该步骤中，测量谐振腔的群时延曲线，以确定所述谐振腔腔体 的谐振频率和耦合状态;驻波比曲线测量步骤，在该步骤中，测量谐振腔的驻波比曲线；以 及特性参数确定步骤，在该步骤中，根据对驻波比曲线的测量结果以及所述谐振腔腔体的 谐振频率和耦合状态，确定谐振腔的品质因数。
[0011] 优选地，谐振腔的品质因数包括谐振腔固有品质因数Qo,其中，在群时延曲线测量 步骤中，记录群时延曲线的峰值处的横坐标fo作为谐振腔腔体的谐振频率，并将谐振腔腔 体的耦合状态记为β，并且当群时延曲线具有正峰时表明谐振腔腔体过耦合，即β>1;当群时 延曲线具有负峰时表明谐振腔腔体欠耦合，即β〈1，其中，所述驻波比曲线测量步骤包括:确 定驻波最小点So，驻波最小点So与谐振腔腔体的谐振频率fo相对应;在驻波比曲线上，在驻 波最小点So上方选定驻波比为S x的水平线，驻波比为Sx的水平线与驻波比曲线相交于频率 分别为的两点，且满足关系其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐 振腔固有品质闵数Q〇:
[0012]
[0013]其中，么€ = 5-&;在3>1 时P = So,在β〈1 时0=1/S〇。
[0014]优选地，谐振腔的品质因数还包括谐振腔有载品质因数QL，其中，所述特性参数确 定步骤包括按下式计算谐振腔有载品质因数Qu
[0015]
[0016] 优选地，谐振腔的品质因数还包括谐振腔外部品质因数Qe，其中，所述特性参数确 定步骤包括按下式计算谐振腔外部品质因数^:
[0017]
[0018] 优选地，其特征在于，谐振腔的品质因数包括谐振腔有载品质因数以，其中，在群 时延曲线测量步骤中，当群时延曲线具有正峰时确定谐振腔腔体的耦合状态为过耦合，记 录群时延曲线的峰值处的横坐标fo作为谐振腔腔体的谐振频率，群时延曲线的峰值对应的 群时延i g>〇,其中，所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔有载品质因数QL:
[0019] QL = Jif〇Tg/2〇
[0020] 优选地，谐振腔的品质因数还包括谐振腔固有品质因数Q〇，其中，所述驻波比曲线 测量步骤包括:确定驻波最小点So，驻波最小点So与谐振腔腔体的谐振频率fo相对应;其中， 所述特性参数确定步骤包括按下式计算谐振腔固有品质因数Q 〇:
[0021] Qq=(i+s〇)Ql。
[0022] 优选地，谐振腔的品质因数还包括谐振腔外部品质因数Qe，其中，所述特性参数确 定步骤包括按下式计算谐振腔外部品质因数^:
[0023]
[0024](三)有益效果
[0025] 本发明的有益效果是：
[0026] a、在由实验确定谐振腔特性参数的过程中，首先通过测量群时延曲线判断腔体的 耦合状态，之后再通过测量驻波比曲线，从驻波比曲线上选取若干数据点，进而由公式逐一 计算出腔体的品质因数。该方法对过耦合和欠耦合的谐振腔均能适用，有效克服了群时延 曲线仅对过耦合谐振腔有意义的缺点，特别适合于速调管高损耗谐振腔。由于工作于高频 段的复杂结构谐振腔常因表面损耗过大、耦合口尺寸不合理等各种原因出现欠耦合，因而 本发明所述的方法具有更为普遍的意义。
[0027] b、本发明所述的方法给出了一种设计速调管谐振腔的流程，首先使用电磁分析软 件对腔体进行初始的物理设计，再据此完成结构设计并加工组装冷测模型;接着，通过对模 型的精确实验测量确定谐振腔的基本特性参数，进而修正计算软件的相关设置;在确保仿 真与实验结果一致的基础上，通过反复调整结构模型，优化设计出性能符合要求的谐振腔。 该方法中包含了软件仿真与实验测量比对的环节，并且考虑到对软件中的基本设置进行修 正，因而设计流程更加科学合理、所得结果更加准确可信。这在发展高频率速调管中的扩展 互作用谐振腔、带状注速调管中的多间隙哑铃形谐振腔、具有调谐膜片的矩形方腔等复杂 结构腔体时是必不可少的步骤。
【附图说明】
[0028] 图1示出现有技术的一种速调管谐振腔设计方法的流程图。
[0029]图2示出根据本发明的一个实施例的一种用于速调管谐振腔特性参数的测量和优 化的方法的流程图。
[0030] 图3示出根据本发明的一个实施例的一种速调管谐振腔特性参数的确定方法的流 程图。
[0031] 图4示出根据本发明的一个实施例的一种