缝隙曲折线性能研究

论文总字数：23048字

摘 要

平面曲折慢波结构的色散曲线平坦，应用频率范围很宽，因此其被广泛用于真空电子器件中。在各类平面结构中，以微带线结构为代表的平面曲折线结构的研究最为广泛。适用于平面曲折线的结构还有共面传输线（CPW）、槽线（Slotline）等结构。这些结构中传输的模式主要为TEM模式，且耦合阻抗较大。本文阐述了微带线、CPW和Slotline等结构的工作原理并介绍了CST软件的使用方法。对微带线、CPW和Slotline结构分别进行了建模和模拟仿真，给出了三种结构之间特性的比较并总结了其各自的优缺点。

仿真分析的结果表明：微带线与CPW的相速相差不大，在6GHz时其相速分别在0.19c-0.25c和0.19c-0.21c之间，槽线的相速在0.25c左右；而CPW的色散曲线最平坦，槽线的曲线最陡峭，因此CPW色散最低，槽线的色散最高。微带线的传输损耗最小，接近0dB，且工作频率范围最大；而槽线的传输损耗最大。选取积分线位置为1mm时，微带线的耦合阻抗最大，在0.5ohm以上；槽线的耦合阻抗最小，在0.01-0.02ohm之间。

关键词：曲折线结构，慢波结构，微带线，共面波导，槽线

Abstract

The meander line slow wave structure has flat dispersion curve and wide range of application frequency. Therefore, it is widely applied in vaccum electron devices. In all kinds of planar structures, the planar meander line structure which is represented by microstrip line structure has been extensively studied. The coplanar waveguide (CPW) and Slotline structures also apply to planar meander line structure. The main transmission mode of these structures is TEM mode, which has large coupling impedance. This thesis illustrates the working principle of microstrip line, CPW and Slotline structures. Moreover, the CST software has been introduced. The microstrip line, CPW and Slotline structures are modeled and simulated respectively. The comparisons of characteristics between three structures are analyzed. Meanwhile, the advantages and disadvantages of these structures are summarized.

The results demonstrate that the phase velocity of microstrip line is not much different from CPW, it is between 0.19c-0.25c and 0.19c-0.21c at 6GHz, respectively. The phase velocity of Slotline is at about 0.25c. The dispersion curve of CPW is the flattest, while the curve of Slotline is the sharpest. The transmission loss of microstrip line is minimum, which closes to 0dB, and the working frequency range of this structure is the widest. While the loss of Slotline is the largest. When the integrated line is set at 1mm, Microstrip line has the largest coupling impedance over 0.5 ohm, while the Slotline has the minimum impedance at about 0.01-0.02 ohm.

Key words: meander line structure, slow wave structure, microstrip line, CPW, Slotline

目 录

摘要 ……………………………………………………………………………………1

Abstract …………………………………………………………………………… 1

1. 绪论 ………………………………………………………………………1

1.1 引言 …………………………………………………………………1

1.2 平面慢波结构 ………………………………………………………………3

1.3 本文主要研究内容 ……………………………………………………………5

第二章 平面曲折线结构的理论分析 …………………………………………………6

2.1 平面曲折慢波结构的工作原理 ………………………………………………6

2.1.1 微带线结构 ………………………………………………………8

2.1.2 共面波导结构 ……………………………………………………9

2.1.3 槽线结构 …………………………………………………………11

2.2 CST仿真工具 ………………………………………………………………12

第三章 曲折线结构的仿真与计算 …………………………………………………13

3.1 平面曲折线结构的冷特性分析 ………………………………………………13

3.1.1 色散特性 ……………………………………………………………14

3.1.2 耦合阻抗 ……………………………………………………………20

3.1.3 场型分布 ……………………………………………………………23

3.2 传输特性分析 ………………………………………………………………25

3.3 本章小结………………………………………………………………………29

结论 ……………………………………………………………………………………30

致谢 ……………………………………………………………………………………31

参考文献 ………………………………………………………………………………32

1. 绪论
   1. 引言

减小行波管制造成本、减小体积和突破频率上限的主要途径是小型化、平面型行波管。早在1969 至1975 年,美国陆军就有发展平面型行波管的计划[1]。美军方面进行了以介质为基底的印刷电路行波管和微波功率模块(MPM)的研究。但是，由于介质基板的使用，行波管的效率有所降低，因此MPM实现的关键仍在于小型化行波管。同时，随着有源相控阵天线技术的发展，在与固态有源器件竞争过程中，小型化平面型行波管将成为核心器件。作为新型的全金属慢波结构，曲折波导不仅能实现大功率的容量，还具有良好的带宽性能，而且可以采用微细加工技术来制作。这一系列优点使得曲折波导慢波结构在国内外受到了广泛关注。Teraphysics公司利用先进的微电子工艺条件，在硅基材料上制作了工作频率为1THz的平面化螺旋线结构[2]，在9KV、5.3mA工作条件下，可以输出的最大功率达到200mW；其研制的95GHz平面化螺线线TWT，在0.75W输入下，可以达到24W的饱和输出[3]。加州大学Davis分校也利用MEMS工艺制作了220GHz的平面交叉线结构，输出功率预期达到275W[4]。

微带线、共面波导(CPW)和槽线结构均适用于平面曲折线结构，其中以微带线结构为代表的曲折线结构的研究最为广泛。CPW和Slotline结构的传输模式主要为TE模而非微带线的TEM模，且其传输阻抗较大。因此，采用CPW和Slotline结构的曲折线结构具有很好的发展和研究前景。

• 1. 平面慢波结构

行波管、返波管等现代微波真空电子器件可以电子动能转化为高频电磁场能量，该能量可经电磁直线加速器转变为电子的动能。行波管和返波管均基于电子注和电磁波的相互作用，而其进行有效相互作用的条件是电子注的速度和电磁波相速达到同步。因此我们需要一种能使得电磁波相速和电子注速度一致的电磁系统，该系统要求能够传播一定相速的电磁波，并能在电子注区域产生方向一定的强电场。一般在实际情况中，均匀传输线中传输电磁波的相速约为光速，电子注的速度则约为真空光速的1/10到2/3左右。这种相速小于光速的电磁波称为慢波，传输这种电磁波的传输结构称为慢波结构。由于慢波结构的色散曲线十分平坦，应用频率范围很宽，因此其被广泛用于微波电子器件中，如行波管、返波管等。

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