速調管諧振腔特性參數的確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微波及毫米波電真空器件技術領域，尤其涉及速調管諧振腔特性參數 的確定方法。
【背景技術】
[0002] 速調管自從1939年誕生以來，已經從最初簡單的雙腔速調管發展到了目前普遍采 用重入式圓柱腔、同軸腔、啞鈴形腔、擴展互作用腔、濾波器加載多間隙腔等各種復雜高頻 結構的階段，與此相適應，電子注形式則包括單注、多注和帶狀注方案。速調管能夠產生高 頻率的脈沖或連續波功率輸出，同時由于其自身結構的特點一電子槍、互作用區和收集極 相互分離，因而又具有很高的功率容量和可靠性。速調管作為一種高功率、高增益和高效率 的微波、毫米波放大器件，同時兼具工作穩定可靠和長壽命的優點，這使其在科學研究、國 防建設和工業生產領域獲得了廣泛的應用。目前，通過開發新的設計工具和應用新的工藝 手段，將速調管的工作頻率進一步向亞毫米波和太赫茲頻段提升依然是各主要國家相關科 研機構的研究熱點。
[0003] 速調管的諧振腔通過間隙電場與電子注互作用進行能量交換，輸入腔中，外部饋 入的激勵功率在諧振腔間隙建立起時變電場，對入射的直流電子注進行調制，使之軸向速 度發生變化;群聚腔中，具有諧波電流成分的電子注激勵起腔場，并反過來受到腔場的調制 而獲得進一步的群聚;輸出腔中，高度群聚的電子注受到相位相反的腔場減速而向外交出 能量，放大的電磁波通過波導輸出到負載。因此，腔體的特性參數對速調管注波互作用的效 率有重要影響，進而決定著器件整體性能的優劣。這其中，諧振腔的特性阻抗取決于腔體結 構，在設計階段已基本確定，而諧振頻率和品質因數則需要進行實際測量并據此做出調整。 尤其是對于輸入、輸出腔，由于與外部電路存在能量交換，上述參數的準確測量將更為重 要。
[0004] 中國科學院電子學研究所在2007年發表的論文(群時延時間法求解速調管輸出腔 的外觀品質因數Qext，張丁，曹靜，繆亦珍等，真空科學與技術學報，V 01.27，N0.5，pp.391-394)中描述了一種確定諧振腔頻率和外觀品質因數的方法，參考圖l。按照該方法，首先在 電磁分析軟件CST中建立諧振腔的三維模型，由軟件計算出群時延曲線，群時延曲線峰值位 置對應的橫坐標fo即為腔體的諧振頻率，將曲線峰值^代入公式Q = 3if()Tg/2則可計算出諧 振腔的外觀品質因數。論文中指出，通過與實驗結果以及ISFEL3D中反射相位法所得結果的 比較，該方法的正確性和有效性得到了驗證。進而推知，可以直接使用CST軟件對諧振腔的 具體結構做進一步優化。
[0005] 對于上述張丁等人所述的方法，其成立的前提是輸出腔的固有品質因數Q〇遠大于 外觀品質因數Qe，即腔內電磁場能量的喪失主要源于供給外部負載而非腔體的自身損耗。 但在毫米波速調管中，諧振腔體積很小且為提高特性阻抗常采用多間隙結構，此時，鑒于高 頻電磁場在金屬表面的損耗較大，同時還伴隨著腔內表面積增加的不利因素，因而有可能 導致諧振腔的Qo與Q e在數值上接近，甚至出現Qo〈Qe的情形，此時，張丁等人所述的方法不再 適用。
[0006] 由上述方法的流程可見，設計者似乎可以直接根據電磁分析軟件CST的結果加工 實際腔體的結構。實際上，由于數值計算軟件的結果準確性極大地依賴于網格剖分方法、網 格數量、結構細節的近似程度以及復雜邊界的處理方法，因此，在具體指導實際腔體設計 時，首先需要通過與實驗結果的比對來校驗其準確性，之后在合適的參數設置和工作環境 下才可進一步對腔體結構進行優化，尤其是對于形狀復雜的高頻率諧振腔，這一過程非常 重要，通常不能省略。

【發明內容】

[0007] (一)要解決的技術問題
[0008] 為了解決相關技術中的上述問題，本發明提供速調管諧振腔特性參數的確定方 法，本發明對過耦合和欠耦合的諧振腔均能適用，有效克服了現有技術中群時延曲線僅對 過耦合諧振腔有意義的缺點，可用于速調管高損耗諧振腔特性參數的確定和優化。
[0009] (二)技術方案
[0010] 根據本發明的一方面，提供一種速調管諧振腔特性參數的確定方法，速調管諧振 腔特性參數包括所述諧振腔腔體的諧振頻率和諧振腔的品質因數，所述方法包括以下步 驟:群時延曲線測量步驟，在該步驟中，測量諧振腔的群時延曲線，以確定所述諧振腔腔體 的諧振頻率和耦合狀態;駐波比曲線測量步驟，在該步驟中，測量諧振腔的駐波比曲線；以 及特性參數確定步驟，在該步驟中，根據對駐波比曲線的測量結果以及所述諧振腔腔體的 諧振頻率和耦合狀態，確定諧振腔的品質因數。
[0011] 優選地，諧振腔的品質因數包括諧振腔固有品質因數Qo,其中，在群時延曲線測量 步驟中，記錄群時延曲線的峰值處的橫坐標fo作為諧振腔腔體的諧振頻率，并將諧振腔腔 體的耦合狀態記為β，并且當群時延曲線具有正峰時表明諧振腔腔體過耦合，即β>1;當群時 延曲線具有負峰時表明諧振腔腔體欠耦合，即β〈1，其中，所述駐波比曲線測量步驟包括:確 定駐波最小點So，駐波最小點So與諧振腔腔體的諧振頻率fo相對應;在駐波比曲線上，在駐 波最小點So上方選定駐波比為S x的水平線，駐波比為Sx的水平線與駐波比曲線相交于頻率 分別為的兩點，且滿足關系其中，所述特性參數確定步驟包括按下式計算諧 振腔固有品質閔數Q〇:
[0012]
[0013]其中，么€ = 5-&;在3>1 時P = So,在β〈1 時0=1/S〇。
[0014]優選地，諧振腔的品質因數還包括諧振腔有載品質因數QL，其中，所述特性參數確 定步驟包括按下式計算諧振腔有載品質因數Qu
[0015]
[0016] 優選地，諧振腔的品質因數還包括諧振腔外部品質因數Qe，其中，所述特性參數確 定步驟包括按下式計算諧振腔外部品質因數^:
[0017]
[0018] 優選地，其特征在于，諧振腔的品質因數包括諧振腔有載品質因數以，其中，在群 時延曲線測量步驟中，當群時延曲線具有正峰時確定諧振腔腔體的耦合狀態為過耦合，記 錄群時延曲線的峰值處的橫坐標fo作為諧振腔腔體的諧振頻率，群時延曲線的峰值對應的 群時延i g>〇,其中，所述特性參數確定步驟包括按下式計算諧振腔有載品質因數QL:
[0019] QL = Jif〇Tg/2〇
[0020] 優選地，諧振腔的品質因數還包括諧振腔固有品質因數Q〇，其中，所述駐波比曲線 測量步驟包括:確定駐波最小點So，駐波最小點So與諧振腔腔體的諧振頻率fo相對應;其中， 所述特性參數確定步驟包括按下式計算諧振腔固有品質因數Q 〇:
[0021] Qq=(i+s〇)Ql。
[0022] 優選地，諧振腔的品質因數還包括諧振腔外部品質因數Qe，其中，所述特性參數確 定步驟包括按下式計算諧振腔外部品質因數^:
[0023]
[0024](三)有益效果
[0025] 本發明的有益效果是：
[0026] a、在由實驗確定諧振腔特性參數的過程中，首先通過測量群時延曲線判斷腔體的 耦合狀態，之后再通過測量駐波比曲線，從駐波比曲線上選取若干數據點，進而由公式逐一 計算出腔體的品質因數。該方法對過耦合和欠耦合的諧振腔均能適用，有效克服了群時延 曲線僅對過耦合諧振腔有意義的缺點，特別適合于速調管高損耗諧振腔。由于工作于高頻 段的復雜結構諧振腔常因表面損耗過大、耦合口尺寸不合理等各種原因出現欠耦合，因而 本發明所述的方法具有更為普遍的意義。
[0027] b、本發明所述的方法給出了一種設計速調管諧振腔的流程，首先使用電磁分析軟 件對腔體進行初始的物理設計，再據此完成結構設計并加工組裝冷測模型;接著，通過對模 型的精確實驗測量確定諧振腔的基本特性參數，進而修正計算軟件的相關設置;在確保仿 真與實驗結果一致的基礎上，通過反復調整結構模型，優化設計出性能符合要求的諧振腔。 該方法中包含了軟件仿真與實驗測量比對的環節，并且考慮到對軟件中的基本設置進行修 正，因而設計流程更加科學合理、所得結果更加準確可信。這在發展高頻率速調管中的擴展 互作用諧振腔、帶狀注速調管中的多間隙啞鈴形諧振腔、具有調諧膜片的矩形方腔等復雜 結構腔體時是必不可少的步驟。
【附圖說明】
[0028] 圖1示出現有技術的一種速調管諧振腔設計方法的流程圖。
[0029]圖2示出根據本發明的一個實施例的一種用于速調管諧振腔特性參數的測量和優 化的方法的流程圖。
[0030] 圖3示出根據本發明的一個實施例的一種速調管諧振腔特性參數的確定方法的流 程圖。
[0031] 圖4示出根據本發明的一個實施例的一種