利用傳輸法把濾波器型輸出回路等效為雙端口微波網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題,通過(guò)理論分析,數(shù)值模擬和冷測(cè)實(shí)驗(yàn)證明了S21平方后的曲線能定性反映濾波器型輸出回路的間隙阻抗頻率特性。從而在仿真設(shè)計(jì)階段,可將S21設(shè)為優(yōu)化目標(biāo),利用三維電磁仿真軟件的參數(shù)優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)精確設(shè)計(jì)濾波器結(jié)構(gòu),比相位法,場(chǎng)分析法更加快捷準(zhǔn)確。傳輸法同樣適用于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀冷測(cè)濾波器的實(shí)驗(yàn),可消除系統(tǒng)拆裝及波導(dǎo)元件引起的誤差,使測(cè)量更加方便準(zhǔn)確。

　　速調(diào)管輸出回路的阻抗頻率特性對(duì)速調(diào)管的效率、帶寬等指標(biāo)有重要影響。為了擴(kuò)展速調(diào)管的帶寬, 濾波器型的輸出回路獲得了廣泛應(yīng)用[1-2] 。在輸出回路的設(shè)計(jì)和冷測(cè)階段, 主要關(guān)心的指標(biāo)是在要求的頻帶范圍內(nèi)獲得滿足一定波動(dòng)要求的間隙阻抗頻率特性。

　　文獻(xiàn)[1-5] 報(bào)道了這種輸出回路的設(shè)計(jì)方法和冷測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。隨著CST 和HFSS 等三維計(jì)算軟件的發(fā)展和應(yīng)用, 將輸出回路等效為單端口微波網(wǎng)絡(luò),通過(guò)數(shù)值模擬間隙開(kāi)路、短路、微擾三種狀態(tài)的反射系數(shù)的相位, 求出對(duì)應(yīng)輸出回路的具體結(jié)構(gòu)的間隙阻抗頻率特性, 但模擬和計(jì)算過(guò)程繁瑣。在實(shí)際制管過(guò)程中, 采用掃頻法通過(guò)觀察探針測(cè)得間隙電場(chǎng)頻率特性, 調(diào)節(jié)濾波器電容電感的尺寸來(lái)得到滿足設(shè)計(jì)要求的濾波器的定性結(jié)果, 再將調(diào)試好的濾波器接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀或測(cè)量線組成的點(diǎn)頻測(cè)試系統(tǒng)逐點(diǎn)測(cè)出間隙阻抗的定量結(jié)果。因此整個(gè)濾波器從設(shè)計(jì), 冷測(cè)調(diào)試, 冷測(cè)驗(yàn)證到最終實(shí)現(xiàn)步驟多, 過(guò)程復(fù)雜, 測(cè)量誤差較大, 尤其確定濾波器上調(diào)諧釘?shù)奈恢眯枰�花費(fèi)大量的人力物力, 如果能夠找到一種方法將濾波器型輸出回路的設(shè)計(jì)與冷測(cè)調(diào)試過(guò)程合并和簡(jiǎn)化, 那么就大大減少了研制時(shí)間和研制經(jīng)費(fèi)。

　　本文提出的傳輸法能模擬和冷測(cè)濾波器型輸出回路的間隙阻抗頻率特性, 主要是以文獻(xiàn)[1-5] 提出掃頻法和相位法等冷測(cè)方法為理論基礎(chǔ), 利用三維計(jì)算軟件CST 微波工作室精確模擬輸出回路的結(jié)構(gòu), 通過(guò)計(jì)算和觀察微波網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)來(lái)優(yōu)化并最終確定輸出腔的結(jié)構(gòu)尺寸及波導(dǎo)上調(diào)諧釘?shù)奈恢眉俺叽纭＿@樣一來(lái)就能在計(jì)算機(jī)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和冷測(cè)調(diào)試的過(guò)程, 并且能利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀使得濾波器的調(diào)試和間隙阻抗的冷測(cè)在同一套測(cè)試系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn), 減少了拆裝測(cè)試系統(tǒng)引起的裝配誤差, 減少測(cè)量誤差, 為速調(diào)管的研制工作提供了方便。

　　傳輸法模擬間隙阻抗頻率特性的理論分析利用掃頻法冷測(cè)濾波器型輸出回路的輸出腔間隙阻抗頻率特性時(shí), 輸出回路相當(dāng)于和兩個(gè)傳輸系統(tǒng)耦合, 一個(gè)傳輸系統(tǒng)接掃頻信號(hào)源, 另一傳輸系統(tǒng)接負(fù)載, 該負(fù)載就是通過(guò)漂移管插入輸出腔間隙的高靈敏度的裝有探針的寬頻檢波座。

　　本文提出的傳輸法, 也即在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)掃頻法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。首先將濾波器型的輸出回路等效為一個(gè)多端口微波網(wǎng)絡(luò), 多端口網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣如式(1) 所示

　　bi ( i= 1, 2 , , N) 是i 口的出波歸一化電壓, aj ( j=1, 2, , , N) 是j 口的入波歸一化電壓。散射參量Sij的物理意義: 在端口j 上接信號(hào)源, 其余各端口都接匹配負(fù)載時(shí), 從j 口到i 口的電壓傳輸系數(shù)[6] 。濾波器型輸出回路等效為幾個(gè)端口需要由輸出腔具體有幾個(gè)漂移間隙確定。如果是單間隙輸出腔, 則只需等效為兩端口, 若是雙間隙耦合輸出腔,并且需要獲得兩個(gè)單腔的間隙阻抗頻率特性, 則可等效為三端口網(wǎng)絡(luò)。至于最近廣泛開(kāi)展的擴(kuò)展互作用速調(diào)管采用的多間隙的腔仍可采用傳輸法模擬每個(gè)間隙的阻抗頻率特性[7] 。具體等效過(guò)程是將輸出波導(dǎo)端面作為信號(hào)輸入端口設(shè)為port1, 而其它需要觀測(cè)間隙阻抗頻率特性的端口設(shè)為port2, port3, , ,portN, 從而得到S21, S31, , , SN1。

　　為了論述方便, 本文僅分析單間隙腔加載濾波器的輸出回路。據(jù)前面描述的掃頻法的實(shí)驗(yàn)過(guò)程可知為雙端口微波網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題, 即和兩個(gè)傳輸系統(tǒng)耦合的諧振腔的間隙阻抗頻率特性問(wèn)題。如圖1(a) 雙端口微波網(wǎng)絡(luò)及圖1(b) 模擬和測(cè)試時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖所示, a1是輸出波導(dǎo)端口的入波歸一化電壓, b2 是能反映間隙阻抗頻率特性的輸出端口的出波歸一化電壓。

圖1 (a) 雙端口微波網(wǎng)絡(luò)和(b) 兩個(gè)傳輸系統(tǒng)耦合的諧振腔示意圖

　　本文以和兩個(gè)傳輸系統(tǒng)耦合的諧振腔為理論基礎(chǔ), 闡明了傳輸法可以模擬間隙阻抗頻率特性, 并分析討論了在數(shù)值模擬時(shí)如何設(shè)置輸入端口和輸出端口將濾波器型輸出回路等效為雙端口網(wǎng)絡(luò), 獲得了傳輸參數(shù)S21的平方即可定性反映阻抗頻率特性的結(jié)論。同時(shí)與相位法的模擬結(jié)果進(jìn)行比較, 兩種模擬結(jié)果有良好的一致性, 同時(shí)將模擬結(jié)果和實(shí)際冷測(cè)結(jié)果對(duì)比, 更進(jìn)一步驗(yàn)證了傳輸法模擬和測(cè)試濾波器型輸出回路的正確性和可行性。