利用傳輸法把濾波器型輸出回路等效為雙端口微波網絡問題,通過理論分析,數值模擬和冷測實驗證明了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。從而在仿真設計階段,可將S21設為優化目標,利用三維電磁仿真軟件的參數優化功能實現精確設計濾波器結構,比相位法,場分析法更加快捷準確。傳輸法同樣適用于矢量網絡分析儀冷測濾波器的實驗,可消除系統拆裝及波導元件引起的誤差,使測量更加方便準確。

　　速調管輸出回路的阻抗頻率特性對速調管的效率、帶寬等指標有重要影響。為了擴展速調管的帶寬, 濾波器型的輸出回路獲得了廣泛應用[1-2] 。在輸出回路的設計和冷測階段, 主要關心的指標是在要求的頻帶范圍內獲得滿足一定波動要求的間隙阻抗頻率特性。

　　文獻[1-5] 報道了這種輸出回路的設計方法和冷測實驗過程。隨著CST 和HFSS 等三維計算軟件的發展和應用, 將輸出回路等效為單端口微波網絡,通過數值模擬間隙開路、短路、微擾三種狀態的反射系數的相位, 求出對應輸出回路的具體結構的間隙阻抗頻率特性, 但模擬和計算過程繁瑣。在實際制管過程中, 采用掃頻法通過觀察探針測得間隙電場頻率特性, 調節濾波器電容電感的尺寸來得到滿足設計要求的濾波器的定性結果, 再將調試好的濾波器接入矢量網絡分析儀或測量線組成的點頻測試系統逐點測出間隙阻抗的定量結果。因此整個濾波器從設計, 冷測調試, 冷測驗證到最終實現步驟多, 過程復雜, 測量誤差較大, 尤其確定濾波器上調諧釘的位置需要花費大量的人力物力, 如果能夠找到一種方法將濾波器型輸出回路的設計與冷測調試過程合并和簡化, 那么就大大減少了研制時間和研制經費。

　　本文提出的傳輸法能模擬和冷測濾波器型輸出回路的間隙阻抗頻率特性, 主要是以文獻[1-5] 提出掃頻法和相位法等冷測方法為理論基礎, 利用三維計算軟件CST 微波工作室精確模擬輸出回路的結構, 通過計算和觀察微波網絡的傳輸參數來優化并最終確定輸出腔的結構尺寸及波導上調諧釘的位置及尺寸。這樣一來就能在計算機上同時實現設計和冷測調試的過程, 并且能利用矢量網絡分析儀使得濾波器的調試和間隙阻抗的冷測在同一套測試系統上實現, 減少了拆裝測試系統引起的裝配誤差, 減少測量誤差, 為速調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濾波器型輸出回路的輸出腔間隙阻抗頻率特性時, 輸出回路相當于和兩個傳輸系統耦合, 一個傳輸系統接掃頻信號源, 另一傳輸系統接負載, 該負載就是通過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, 也即在計算機上實現掃頻法的實驗過程。首先將濾波器型的輸出回路等效為一個多端口微波網絡, 多端口網絡的散射矩陣如式(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 上接信號源, 其余各端口都接匹配負載時, 從j 口到i 口的電壓傳輸系數[6] 。濾波器型輸出回路等效為幾個端口需要由輸出腔具體有幾個漂移間隙確定。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,并且需要獲得兩個單腔的間隙阻抗頻率特性, 則可等效為三端口網絡。至于最近廣泛開展的擴展互作用速調管采用的多間隙的腔仍可采用傳輸法模擬每個間隙的阻抗頻率特性[7] 。具體等效過程是將輸出波導端面作為信號輸入端口設為port1, 而其它需要觀測間隙阻抗頻率特性的端口設為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。據前面描述的掃頻法的實驗過程可知為雙端口微波網絡問題, 即和兩個傳輸系統耦合的諧振腔的間隙阻抗頻率特性問題。如圖1(a) 雙端口微波網絡及圖1(b) 模擬和測試時結構示意圖所示, a1是輸出波導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) 雙端口微波網絡和(b) 兩個傳輸系統耦合的諧振腔示意圖

　　本文以和兩個傳輸系統耦合的諧振腔為理論基礎, 闡明了傳輸法可以模擬間隙阻抗頻率特性, 并分析討論了在數值模擬時如何設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絡, 獲得了傳輸參數S21的平方即可定性反映阻抗頻率特性的結論。同時與相位法的模擬結果進行比較, 兩種模擬結果有良好的一致性, 同時將模擬結果和實際冷測結果對比, 更進一步驗證了傳輸法模擬和測試濾波器型輸出回路的正確性和可行性。