当代电子技术的发展对行波管提出了更高工作频率、更大输出功率和更小器件尺寸的发展需求^[1-3]。作为行波管的核心部件，慢波结构的性能直接决定着行波管的技术指标^[4-5]。常规的圆形螺旋线及其变形结构具有平坦色散的优点，在宽带中等功率行波管领域有着广泛应用^[6-7]。然而，随着输出功率的不断提高，需要不断增大电子束电流密度，而圆柱形电子束具有较强的空间电荷效应，这限制了行波管功率的提高^[8-9]。因此，探索可以与带状电子束互作用的新型慢波结构成为行波管发展的重要方向。鉴于此，本文提出了一种新型慢波结构−半矩形环螺旋线慢波结构。该新型慢波结构具有与微细加工（MEMS）技术相兼容、方便与带状电子束互作用以及宽频带和高互作用阻抗的综合优点，可以有效提升行波管的输出功率。文中基于三维电磁仿真软件HFSS对该新型慢波结构的高频特性进行了分析，并与具有相同结构参数的半圆形环螺旋线慢波结构的高频特性进行了深入比较^[10]。

1 半矩形环螺旋线慢波结构模型

图1(a)为Muhammed Zuboraj等人提出的半圆形环螺旋线慢波结构^[10]。其中，r是圆环半径，t_c和w_c分别是圆环金属带的厚度和宽度，p_c是慢波结构的周期，l_c是相邻半圆环之间连接杆的长度。研究表明，在同等参数条件下，半圆环螺旋线慢波结构具有与常规圆螺旋线慢波结构非常接近的色散平坦度和互作用阻抗值，但其相速度更小，这使得基于该慢波结构的行波管可以在更小的器件长度下获得更大的输出功率。然而，半圆环螺旋线慢波结构的特点只适合采用圆柱形电子束进行注波互作用，阻碍了行波管输出功率的提高，同时该结构与微细加工技术不兼容，不利于慢波结构的批量精细加工。

图 1. Model of half circular ring helix slow wave structure and half rectangular ring helix slow-wave structure

Fig. 1. Model of half circular ring helix slow wave structure and half rectangular ring helix slow-wave structure

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为了能提高宽带行波管的工作频率和输出功率，本文提出了一种新型慢波结构−半矩形环螺旋线慢波结构，如图1(b)和图1(c)所示。图中：2a和2b分别是半矩形环螺旋线慢波结构横截面的宽度和高度，t和w分别是半矩形环金属带的厚度和宽度，2c和2d分别是加载同心矩形金属屏蔽筒的宽度和高度，p是慢波结构的周期，l是相邻半矩形环连接杆的长度，且满足 p＝2(l＋w)。相邻矩形半环间的连接杆厚度和宽度和半矩形环金属带的厚度和宽度相同。相对于半圆环螺旋线慢波结构而言，半矩形环螺旋线具有平面类慢波结构的特点，易于采用微加工技术批量精确加工，同时可变的宽高比使得其可以很方便地与带状电子束进行互作用。

理论上来说，半圆形螺旋线慢波结构和半矩形环螺旋线慢波结构都存在场的奇异点，因此难以用传统的电磁理论加以分析。基于三维电磁仿真软件HFSS对该新型慢波结构的高频特性进行了详细的分析，在此基础上，开展了与半圆形环螺旋线慢波结构的对比研究。

2 半矩形螺旋线慢波结构高频特性

2.1 慢波结构参数对高频特性的影响

由于半矩形环螺旋线慢波结构是利用基模和纵向电场进行互作用，因此这里只分析基模的高频特性。图2～图6 给出了半矩形环螺旋线慢波结构的参数对色散和互作用阻抗的影响。图中的互作用阻抗为慢波结构中心轴线上的阻抗值。

图 2. Effect of helix thickness on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) b/a＝2, a＝0.10, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00

Fig. 2. Effect of helix thickness on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) b/a＝2, a＝0.10, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00

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图 3. Effect of helix width w on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) b/a＝2, a＝0.10, t＝0.01, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00

Fig. 3. Effect of helix width w on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) b/a＝2, a＝0.10, t＝0.01, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00

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图 4. Effect of the height b on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) a＝0.10, t＝0.03, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00

Fig. 4. Effect of the height b on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) a＝0.10, t＝0.03, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00

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图 5. Effect of the axial period on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) a＝0.10, b/a＝2, t＝0.01, w＝0.06, c＝1.00, d＝1.00

Fig. 5. Effect of the axial period on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) a＝0.10, b/a＝2, t＝0.01, w＝0.06, c＝1.00, d＝1.00

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图 6. Effect of aspect ratio on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) 4a＋4b＝1.22, t＝0.03, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00

Fig. 6. Effect of aspect ratio on high-frequency characteristics with parameters of (in mm) 4a＋4b＝1.22, t＝0.03, w＝0.06, p＝0.20, c＝1.00, d＝1.00

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图2给出了金属带厚度t对半矩形环螺旋线高频特性的影响。从图中可以看出，随着厚度t 的增加，归一化相速逐渐减小，慢波系统的色散有所增强，带宽逐渐变小。同时，慢波结构的互作用阻抗随着厚度t的增大逐渐减小。因此，在实际设计中需要综合考虑工作电压，输出功率和系统散热等因素采用合适的金属带厚度。

图3给出了金属带宽度w的变化对慢波系统高频特性的影响。从图中可知，随着金属带宽度w的增加，半矩形环螺旋线慢波结构的相速度逐渐增大，慢波系统色散逐渐增强，这将导致慢波结构的工作带宽变窄。同时，中高频段的互作用阻抗值随着宽度w的增加而逐渐增大，而低频段的互作用阻抗值逐渐降低。因此，实际设计中需要权衡带宽、输出功率、结构牢固性和散热等因素选择合适的金属带宽度。

图4给出了慢波结构的横截面高度对系统高频特性的影响，其中慢波结构横截面的宽度和周期等其它参数保持不变。从图中可以看出,随着横截面高度的增大, 慢波结构的相速度减小,色散平坦性保持不变，而工作带宽不断变窄。同时，中高频段的互作用阻抗随着横截面高度的增大而不断较小，而低频段的互作用阻抗却随着横截面高度的增大而逐渐增大。

图5给出了慢波结构周期p对系统高频特性的影响。从图中可以观察到，随着螺距p的增大，系统的相速逐渐增大,色散平坦性保持不变。同时，慢波结构低频段互作用阻抗值随p的增大不断减小，而中高频段的互作用阻抗却逐渐增大。因此，在设计行波管时要综合考虑工作电压和功率要求，选择合适的螺距。

图6给出了在横截面周长不变时，慢波结构p相同的情况下,不同的横截面宽高比b/a对高频特性的影响。从图中可见，随着宽高比的逐渐增大,电磁波的相速不断增加,慢波系统的色散逐渐变强，而频带逐渐增大。同时，慢波结构的互作用阻抗在低频段逐渐减小，而中高频段的互作用阻抗随着宽高比的增大而增大。因此，需要综合考虑功率和带宽的因素，选择合适宽高比的慢波结构。

2.2 与相同参数的半圆环螺旋线慢波结构高频特性对比

为体现新结构的特点，对半矩形环螺旋线慢波结构和半圆环螺旋线慢波结构的高频特性进行了比较，其中两种慢波结构的横截面周长(1.22 mm)、纵向周期(0.20 mm)以及金属线的宽度(0.06 mm)和厚度(0.03 mm)等参数均设置为相同，利用高频仿真软件计算得到了其高频特性，如图7所示。可以看出，在同等参数条件下，半矩形环螺旋线慢波结构相比较半圆环螺旋线慢波结构具有更高的相速度以及更宽的工作频带。同时，半矩形环螺旋线慢波结构在几乎整个工作频段内具有显著更高的互作用阻抗，这预示采用半矩形环螺旋线慢波结构的行波管将具有更高的输出功率和增益。由于新结构与微细加工技术相兼容，有可控制的宽高比方便与带状电子束发生互作用，因此在宽带小型化高功率行波管领域具有很大的应用价值。

图 7. Comparison of high frequency characteristics between the half circular ring helix slow wave structure and the half rectangular ring helix slow wave structure

Fig. 7. Comparison of high frequency characteristics between the half circular ring helix slow wave structure and the half rectangular ring helix slow wave structure

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2.3 传输和衰减

构建了工作于V波段四十个周期长度的半矩形环螺旋线慢波结构。在仿真计算中将慢波结构和输入输出匹配器的材料设置为钼^[11]，同时钼表面镀铜以减小损耗。考虑到表面粗糙度的影响，铜的电导率设置为3.0×10⁷ S/m^[12]。采用同轴线设计了渐变式输入输出匹配装置，其中同轴线内导体的尺寸由半矩形环螺旋线的大小逐渐渐变为正常同轴线的半径，基于CST的微波工作室的仿真结果如图8所示。从图中可以看出，半矩形环螺旋线慢波结构具有良好的传输特性，在55.9～64.8 GHz频率范围内，S₁₁均低于−20 dB，而S₂₁大于−1.55 dB，每周期传输损耗低于0.039 dB。

图 8. S parameters of half rectangular ring helix slow-wave structure

Fig. 8. S parameters of half rectangular ring helix slow-wave structure

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3 结　论

基于数值计算方法,对新型带状注半矩形环螺旋线慢波结构的高频特性进行深入研究。结果表明: 通过调整半矩形环螺旋线慢波结构的参数可以获得理想的高频特性。半矩形环螺旋线慢波结构保持了半圆环螺旋线慢波结构平坦色散的优点，却有明显更大的互作用阻抗值，可以进一步提升行波管的输出功率。此外新结构还具有与微细加工技术MEMS 相兼容,方便与带状电子束互作用的优点，因此在小型化宽带行波管领域具有广阔的发展前景。