一种新型矩形凹槽正弦波导慢波结构，用于毫米波行波管

《IEEE Transactions on Plasma Science》：A Novel Rectangular Groove Sine Waveguide Slow Wave Structure for Millimeter-Wave TWT

提出矩形凹槽正弦波导（RGSWG）慢波结构，其平均阻抗为传统正弦波导（SWG）的2倍，并设计验证了RGSWG行波管在90-98 GHz频段输出功率达52 W（输入150 mW），较传统SWG TWT提升显著。测试显示插入损耗＞-3.4 dB，回波损耗＜-15 dB。

　　

摘要：

本文提出了一种新型的慢波结构（SWS），称为矩形槽正弦波导（RGSWG）。该结构在正弦波导（SWG）内部设置了一个矩形槽，该矩形槽与波导的平面平行。对这种创新慢波结构的高频特性进行了仿真分析。计算结果显示，RGSWG慢波结构的平均阻抗大约是传统SWG慢波结构的两倍。此外，还设计并分析了RGSWG和传统SWG的高频传输系统。实验结果表明，RGSWG慢波电路具有更优越的反射特性。使用粒子仿真软件对RGSWG行波管（TWT）的波束-波相互作用进行了分析。在90至98 GHz的工作频率范围内，当输入功率为150 mW、工作电压为9.3 kV、束流电流为200 mA时，RGSWG TWT的输出功率可超过52 W；在典型频率94 GHz时，其最大输出功率可达77 W，相应增益为27.1 dB。相比之下，在相同条件下，传统SWG TWT在90–98 GHz的工作频率范围内的输出功率仅为36 W。RGSWG已成功制造并进行了测试，测试结果与仿真结果基本一致。测试表明，在89–100 GHz的频率范围内，插入损耗大于-3.4 dB，回波损耗低于-15 dB。

引言

毫米波、亚毫米波和太赫兹真空电子设备因其广泛的应用而受到越来越多的关注。在这些设备中，行波管（TWT）是最重要的微波管类型，被广泛应用于生物医学成像、军事探测、高速通信、等离子体诊断等多个领域[1]、[2]。TWT通常由电子光学系统、慢波结构（SWS）、输入/输出结构以及收集器组成。其中，慢波结构（SWS）对TWT的性能起着关键作用。传统的慢波结构包括耦合腔结构和螺旋结构：耦合腔TWT具有较高的功率处理能力，但带宽相对较窄；而螺旋TWT虽然带宽较宽，但功率容量有限。随着这些设备的工作频率进入毫米波和太赫兹频段，传统的慢波结构在尺寸、功率容量和带宽方面无法满足需求。为应对这一挑战，出现了可以在一次加工中制造出的全金属慢波结构，如交错双叶片结构[3]、[4]、折叠波导[5]、[6]以及正弦波导（SWG）[7]、[8]，这些结构被用作毫米波和太赫兹频段的慢波电路。这些创新的慢波结构设计克服了传统结构的局限性，为在这些频段内实现更好的性能奠定了基础。