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HIAF随机冷却系统slot-ring型pickup/kicker及相应合路器/功分器的设计与仿真

张兆龙 武军霞 张鑫 李志学 胡雪静 朱光宇

张兆龙, 武军霞, 张鑫, 李志学, 胡雪静, 朱光宇. HIAF随机冷却系统slot-ring型pickup/kicker及相应合路器/功分器的设计与仿真[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(2): 179-187. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070
引用本文: 张兆龙, 武军霞, 张鑫, 李志学, 胡雪静, 朱光宇. HIAF随机冷却系统slot-ring型pickup/kicker及相应合路器/功分器的设计与仿真[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(2): 179-187. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070
Zhaolong ZHANG, Junxia WU, Xin ZHANG, Zhixue LI, Xuejing HU, Guangyu ZHU. Design and Simulation of Slot-ring Type Pickup/Kicker and Power Combiner/Splitter for HIAF Stochastic Cooling System[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 179-187. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070
Citation: Zhaolong ZHANG, Junxia WU, Xin ZHANG, Zhixue LI, Xuejing HU, Guangyu ZHU. Design and Simulation of Slot-ring Type Pickup/Kicker and Power Combiner/Splitter for HIAF Stochastic Cooling System[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 179-187. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070

HIAF随机冷却系统slot-ring型pickup/kicker及相应合路器/功分器的设计与仿真

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(11975290)
详细信息

Design and Simulation of Slot-ring Type Pickup/Kicker and Power Combiner/Splitter for HIAF Stochastic Cooling System

Funds: National Natural Science Foundation of China(11975290)
More Information
  • 摘要: 为降低束流发射度,提高束流强度,得到高品质的束流,强流重离子加速器装置(HIAF)高精度环形谱仪(SRing)将建造随机冷却系统。随机冷却系统的关键硬件pickup/kicker在一定程度上决定了其冷却效率。本工作讨论了随机冷却系统pickup/kicker的具体作用及设计指标,介绍了分路阻抗概念。SRing随机冷却系统采用周期性单元结构slot-ring模型,利用高频结构仿真(HFSS)软件对其进行建模并仿真优化。通过对不同结构参数进行扫参,确认了slot-ring结构各参数对pickup/kicker分路阻抗值的影响。仿真结果表明,slot-ring结构有较高的分路阻抗,适用于SRing随机冷却系统。同时,考虑到pickup/kicker工作带宽内分路阻抗的平坦度,提出了采用不同尺寸slot-ring结构进行组合的方式来优化其平坦度。最后设计并加工实测了该slot-ring结构相匹配的十六路功率分配器/功率合成器,实测结果表明:该功分器/合路器具有各端口输出幅度平坦度较好、隔离度大、插入损耗低、电压驻波比小等特点,满足SRing随机冷却系统的要求。
  • 图  1  (在线彩图)SRing随机冷却系统布局

    图  2  (在线彩图)随机冷却原理示意

    图  3  (在线彩图)Slot-ring结构示意图

    (a) 一个slot-ring单元结构;(b) slot-ring单元结构组成pickup/kicker;(c) 十六分之一个pickup/kicker结构及边界条件;(d) 4端口slot-ring结构。

    图  4  (在线彩图)8端口及4端口slot-ring结构kicker分路阻抗

    (a) 8端口slot-ring结构纵向分路阻抗;(b) 4端口slot-ring结构纵向分路阻抗;(c) 8端口slot-ring结构横向分路阻抗;(d) 4端口slot-ring结构横向分路阻抗。

    图  5  (在线彩图)Slot-ring结构一个单元结构不同h值纵向分路阻抗

    (a) 一个slot-ring单元结构纵向分路阻抗;(b) 单位长度slot-ring结构纵向分路阻抗。

    图  6  (在线彩图)不同t值slot-ring结构kicker纵向分路阻抗

    (a) 一个slot-ring单元结构;(b)不同t值slot-ring单元结构组合kicker。

    图  7  Wilkinsong功分器原理示意

    (a) 单节Wilkinson功分器示意;(b) 多节宽带Wilkinson功分器示意。

    图  8  (在线彩图)一分二Wilkinson功分器HFSS软件模型

    图  9  (在线彩图)一分二Wilkinson功分器HFSS仿真结果

    (a) 一分二Wilkinson功分器插入损耗仿真结果;(b) 隔离度仿真结果;(c) 驻波比仿真结果;(d) 2、3端口时延之差。

    图  10  (在线彩图)一分十六功分器HFSS模型及仿真结果

    (a) 十六路功分器HFSS软件仿真模型;(b) 插入损耗仿真结果;(c) 隔离度仿真结果;(d) 驻波比仿真结果。

    图  11  (在线彩图)一分十六功分器实物图

    图  12  (在线彩图)十六路功分器实物测量结果

    (a) 十六路功分器插入损耗实测结果;(b) 隔离度实测结果;(c) 驻波比实测结果;(d) 各相邻输出端口时延之差。

  • [1] 吴波. 高精度环形谱仪的物理设计[D]. 兰州: 中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所), 2018: 11.

    WU Bo. The Accelerator Physics Design of the Spectrometer Ring[D]. Lanzhou: University of Chinese Academy of Sciences(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences), 2018: 11. (in Chinese)
    [2] MA X, WEN W Q, ZHANG S F, et al. Nucl Instr and Meth B, 2017, 408: 169. doi:  10.1016/j.nimb.2017.03.129
    [3] YANG J C, XIA J W, XIAO G Q, et al. Nucl Instr and Meth B, 2013, 317: 263. doi:  10.1016/j.nimb.2013.08.046
    [4] MOHL D. Stochastic Cooling for Beginners[C]//JOHNSEN K. 1983 CERN 1st Accelerator School:Antiprotons for Colliding Beam Facilities. Genève, Switzerland:CERN Accel School, 1983: 97.
    [5] VAN DER MEER S. Stochastic Cooling Theory and Devices[C]// Workshop on Producing High luminosity High energy Proton Antiproton Collisions. Berkeley CA USA: 1978: 27.
    [6] ZHU Guangyu, WU Junxia, CASPERS F, et al. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2020, 68(1): 9. doi:  10.1109/TNS.2020.3038525
    [7] POZAR D M. Microwave Engineering[M]. Hoboken: John Wiley & Sons Inc, 2011: 265.
    [8] GOLDERG D A, LAMBERTSON G R. Dynamic Devices:A Primer on Pickups and Kickers[C]// MONTH M ed. AIP Conference Proceedings. USA: American Institute of Physics, 1991: 555.
    [9] BRAMBILLA E. A Microwave Cerenkov Pick-up for Stochastic Cooling[R/OL]. [2021-08-15]. http://cds.cern.ch/record/163326/files/CM-P00059341.pdf.
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-30
  • 修回日期:  2021-11-28
  • 网络出版日期:  2022-06-29
  • 刊出日期:  2022-06-29

HIAF随机冷却系统slot-ring型pickup/kicker及相应合路器/功分器的设计与仿真

doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(11975290)
    作者简介:

    张兆龙(1997−), 男, 甘肃定西人, 硕士研究生, 从事加速器束流随机冷却研究; E-mail:zhangzhaolong@impcas.ac.cn

    通讯作者: 朱光宇, E-mail:zhuguangyu@impcas.ac.cn
  • 中图分类号: TL56

摘要: 为降低束流发射度,提高束流强度,得到高品质的束流,强流重离子加速器装置(HIAF)高精度环形谱仪(SRing)将建造随机冷却系统。随机冷却系统的关键硬件pickup/kicker在一定程度上决定了其冷却效率。本工作讨论了随机冷却系统pickup/kicker的具体作用及设计指标,介绍了分路阻抗概念。SRing随机冷却系统采用周期性单元结构slot-ring模型,利用高频结构仿真(HFSS)软件对其进行建模并仿真优化。通过对不同结构参数进行扫参,确认了slot-ring结构各参数对pickup/kicker分路阻抗值的影响。仿真结果表明,slot-ring结构有较高的分路阻抗,适用于SRing随机冷却系统。同时,考虑到pickup/kicker工作带宽内分路阻抗的平坦度,提出了采用不同尺寸slot-ring结构进行组合的方式来优化其平坦度。最后设计并加工实测了该slot-ring结构相匹配的十六路功率分配器/功率合成器,实测结果表明:该功分器/合路器具有各端口输出幅度平坦度较好、隔离度大、插入损耗低、电压驻波比小等特点,满足SRing随机冷却系统的要求。

English Abstract

张兆龙, 武军霞, 张鑫, 李志学, 胡雪静, 朱光宇. HIAF随机冷却系统slot-ring型pickup/kicker及相应合路器/功分器的设计与仿真[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(2): 179-187. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070
引用本文: 张兆龙, 武军霞, 张鑫, 李志学, 胡雪静, 朱光宇. HIAF随机冷却系统slot-ring型pickup/kicker及相应合路器/功分器的设计与仿真[J]. 原子核物理评论, 2022, 39(2): 179-187. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070
Zhaolong ZHANG, Junxia WU, Xin ZHANG, Zhixue LI, Xuejing HU, Guangyu ZHU. Design and Simulation of Slot-ring Type Pickup/Kicker and Power Combiner/Splitter for HIAF Stochastic Cooling System[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 179-187. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070
Citation: Zhaolong ZHANG, Junxia WU, Xin ZHANG, Zhixue LI, Xuejing HU, Guangyu ZHU. Design and Simulation of Slot-ring Type Pickup/Kicker and Power Combiner/Splitter for HIAF Stochastic Cooling System[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(2): 179-187. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2021070
    • 中国科学院近代物理研究所承建的强流重离子加速器装置(High Intensity heavy-ion Accelerator Facility, HIAF)将致力于核物理、核天体物理以及材料、生物等领域的研究,装置由超导电子回旋共振离子源、超导离子直线加速器、增强器、放射性次级束分离器以及高精度环形谱仪等组成。其中高精度环形谱仪(Spectronmeter Ring, SRing)是HIAF项目的重要实验终端,其建设目的是获取高品质的放射性次级束,进行原子物理及核物理实验。SRing共有三种运行模式:等时性模式、正常模式与内靶模式。其中正常模式运行时将使用随机冷却与电子冷却相结合的方式进行束流冷却[1-3],SRing随机冷却系统布局如图1所示。

      图  1  (在线彩图)SRing随机冷却系统布局

      图2所示,随机冷却原理可以解释为:位于环形加速器上游的探测器(pickup)探测到束流信号(包括横向位置偏差及纵向能散信息),该信号经管道外宽带微波传输系统放大并传输施加到下游冲击器(kicker)的各极板上,从而对束流进行校正,达到束流冷却的目的。显然,要使该校正信号施加在与pickup探测信号相对应的束流上,要求加速器环中的束流与管道外相应校正信号同时到达下游kicker位置。这就意味着在pickup与kicker位置及宽带信号传输系统的时延确定后,该冷却过程只能应用于特定速度的束流,即随机冷却系统需在束流加速过程完成后工作[4-5]

      图  2  (在线彩图)随机冷却原理示意

      随机冷却系统中的pickup与kicker可以理解为对电磁场的信号接收器和信号发生器,其中pickup感应束流产生的电磁场,kicker受外部信号激励产生电磁场。根据洛伦兹互易定理,如同一天线结构既可以用做发射机也可以用作接收机,随机冷却系统中的pickup和kicker也可以使用同一结构。Pickup/kicker的效率可以用分路阻抗来表示,该量代表了在kicker上单位功率馈入信号对束流的作用力的强弱,SRing随机冷却系统设计带宽为0.6~1.2 GHz[6],为使随机冷却系统冷却效率更高,需要pickup/kicker在带宽内有更高的分路阻抗。

      本文主要介绍slot-ring型pickup/kicker的基本结构及仿真优化过程,包括分路阻抗的基本概念、利用高频结构仿真(HFSS)软件的建模及计算,最后在pickup/kicker的结构基础上利用HFSS软件设计并加工测试相应多路功分器/合路器。

    • Pickup与kicker之间的关系可以通过洛伦兹互易定理来理解,同一电极结构分别用作pickup和kicker时,其电磁场满足[7]

      $$ \oint_{S} {(\overline {{E_{\text{k}}}} } \times \overline {{H_{\text{B}}}} - \overline {{E_{\text{B}}}} \times \overline {{H_{\text{k}}}} ){\text{d}}s = \int_V {(\overline {{E_{\text{B}}}} \cdot \overline {{J_{\text{k}}}} - \overline {{E_{\text{k}}}} } \cdot \overline {{J_{\text{B}}}} ){\text{d}}\upsilon , $$ (1)

      其中:E为电场;H为磁场;J为电流源;下标S表示将pickup/kicker包围的封闭面;V表示该封闭面包围的体积;k代表kicker;B代表束流。

      在研究pickup与kicker的性能时,通常将其作为kicker来进行计算,即通过激励端口输入激励信号得到在kicker中产生的相应电磁场,计算结果同样可以体现该结构用作pickup时的性能。计算时,忽略束流流经kicker时由束流作为源激励出的电磁场,只以在激励端口馈入的单位功率信号作为源,利用HFSS软件计算出其在kicker结构中产生的电磁场,再通过输入功率和束流电压计算得到kicker分路阻抗。束流电压可以理解为束流以速度$\beta $($\beta $为束流纵向速度v与真空中光速c的比值)在加速器管道中前进时“ 见”到的电场的积分。Kicker分路阻抗值只取决于kicker本身的结构及物理参数,其大小直接体现了该结构对束流作用力的强弱,pickup分路阻抗可以通过kicker分路阻抗计算得到。其计算过程及公式如下[8]

      首先定义纵向kicker常数为束流电压与输入电压的比值:

      $$ {K_{||}} = \frac{V}{{{V_{\text{k}}}}} \text{,} $$ (2)

      其中:输入电压$ {V_{\text{k}}} $为外部馈入激励;束流电压$ V $为束流受到的纵向电场沿其运动方向的积分,

      $$ V = \int_a^{\,b} {{E_s}{{\text{e}}^{j{k_{\text{B}}}s}}} {\text{d}}s \text{,} $$ (3)

      式中:s为束流纵向运动方向;$ {E_s} $为纵向电场;$ {{\text{e}}^{j{k_{\text{B}}}s}} $为时谐因子;波数$ {k_{\text{B}}} = {\omega \mathord{\left/ {\vphantom {\omega {\beta c}}} \right. } {\beta c}} $$ \omega $为电场角频率。

      从上可推出kicker纵向分路阻抗为

      $$ {Z_{||\left( {{\text{kicker}}} \right)}} = \frac{{\left| {{V^2}} \right|}}{{2{P_{\text{k}}}}} = {Z_{\text{C}}}{\left| {{K_{||}}} \right|^2} ; $$ (4)

      Pickup纵向分路阻抗为

      $$ {Z_{||\left( {{\text{pickup}}} \right)}} = \frac{{{P_{{\text{PU}}}}}}{{I_{\text{b}}^2}} = \frac{1}{4}{Z_{||\left( {{\text{kicker}}} \right)}} ; $$ (5)

      其中:$ {Z_{\text{C}}} $为kicker端口特征阻抗;$ {P_{\text{k}}} $ 为kicker激励端口馈入功率;$ {P_{{\text{PU}}}} $为pickup端口输出功率;$ I_{\text{b}}^{} $ 为束流流强。

      同理可以得到横向kicker常数、横向分路阻抗、横向传输阻抗分别为

      $$ {K_ \bot } = \frac{{\Delta {p_ \bot }\beta c}}{{e{V_{\text{k}}}}} \text{,} $$ (6)
      $$ {Z_{ \bot \left( {{\text{kicker}}} \right)}} = {Z_ \bot }{T^2} = {Z_{\text{C}}}{\left| {{{\overline K }_ \bot }} \right|^2} \text{,} $$ (7)
      $$ {Z_{\text{p}}} = {{{k_{\text{B}}}\sqrt {{Z_{\text{C}}}{Z_ \bot }{T^2}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{{k_{\text{B}}}\sqrt {{Z_{\text{C}}}{Z_ \bot }{T^2}} } 2}} \right. } 2} \text{,} $$ (8)

      其中:$ {p_ \bot } $为束流横向动量;T为渡越时间因子,其值为结构束流电压与瞬时电压之比。

    • 图3所示,slot-ring型pickup/kicker为一个周期性谐振结构,一个周期单元结构上有8个电极,为实现束流的水平、垂直及纵向冷却,pickup/kicker上至少需要4个对称分布的极板[图3(d)即为4电极结构],此处采用8个极板的设计主要是为了有更大的工作带宽[6]。通过合路器、功分器及180°微波电桥对pickup不同极板上感应到的信号进行相加或相减操作,再将经过宽带微波传输系统处理后的信号馈入kicker,就可以分别实现束流的纵向和横向冷却。

      图  3  (在线彩图)Slot-ring结构示意图

      如前文所述,在使用HFSS软件进行仿真模拟时主要计算该结构用作kicker时的分路阻抗,这是由于计算pickup分路阻抗较计算kicker分路阻抗更为繁琐。计算kicker纵向分路阻抗时,首先在激励端口处设置馈入单位功率的激励信号和设置工作带宽,再通过HFSS软件的场计算器模块编辑相应公式,就可以计算得到在工作带宽内以速度$\beta $行进的束流所“经历”的纵向电场积分。该积分结果与粒子速度$\beta $、馈入信号频率、以及束流也即软件中所定义的积分线在管道内的横向位置相关(计算纵向阻抗时积分线设置于管道中心)。如图3(c)为81个单元结构组成的pickup/kicker结构,为节省仿真空间与软件计算时间,利用其轴对称性,在进行纵向分路阻抗仿真时只构建十六分之一个结构,边界处设置对称边界条件。而在进行横向分路阻抗仿真时,需要建立四分之一个结构,这是因为计算横向分路阻抗时,激励出的电场为TM110模,需设置横向激励,对横向电场进行积分,相应边界条件设置为一个理想电边界和一个理想磁边界相互垂直的结构。为了使信号不在kicker结构内来回反射,在kicker结构两端设置波端口激励用以吸收电磁波,但这会使得馈入信号部分功率被损耗在端口处,故建立模型时要尽可能地建立更多单元结构,同时信号馈入端口位于结构最中间一个单元结构上。

    • 图3(a)中所示,在HFSS软件中定义结构尺寸参数:开槽深度t、单元结构纵向长度h、束流管道半径r等。分别建立4端口slot-ring结构与8端口slot-ring结构模型,进行纵向及横向分路阻抗仿真,结果如图4所示。从图中可以看出, 8端口slot-ring结构较4端口slot-ring结构有更好的工作带宽,但峰值更低。图中所示分路阻抗值为一个单元结构激励得到的分路阻抗,同时图中也体现了同一尺寸结构kicker对于不同速度束流的分路阻抗值响应的变化,也即随着速度$\beta $值的增大相应分路阻抗值也增大,这表明slot-ring结构适用于高$\beta $束流的冷却。

      图  4  (在线彩图)8端口及4端口slot-ring结构kicker分路阻抗

      进一步在8端口slot-ring结构基础上对各尺寸进行参数扫描分析,发现对于纵向阻抗影响最大的参数为单元结构纵向长度h与开槽深度t图5(a)为开槽深度t=55 mm,束流速度$\beta $=0.83,束流管道半径r=54 mm时不同h值的纵向分路阻抗仿真结果,可以看出,随着h值的增大,该单元结构纵向分路阻抗有更大的带宽,峰值减小,但需要注意的是纵向长度h值增大意味着kicker结构所占的纵向空间更大。将该结果归一化为单位长度纵向分路阻抗,如图5(b)所示,h值越小,整个kicker结构的纵向分路阻抗值越大。但相应地,h值越小,其结构复杂程度会增大,加工难度也会增加,同时会使得pickup/kicker结构端口数目增多,在信号馈入以及引出时,所需要的功分器/合路器以及外部功率放大器也会增多,增加成本。此处选择h=13.5 mm进行进一步设计优化。

      图  5  (在线彩图)Slot-ring结构一个单元结构不同h值纵向分路阻抗

      图6(a)为不同开槽深度t值的slot-ring结构kicker纵向分路阻抗,可以看出,随着t值增加,分路阻抗响应值减小同时带内峰值向低频移动,原因是slot-ring结构为一驻波结构,其原理类似于四分之一波长谐振腔,t增大时相应谐振波长增大,频率降低,可以通过改变该参数将谐振频率调节到所需工作频段。同时,尝试通过使用不同t值的slot-ring结构进行组合,使工作带宽内分路阻抗值平坦度增大,如图6(b)为96个全部为t=55 mm的slot-ring单元结构与96个t值分别为33、55、90 mm的单元结构组合在一起的比较。其中,由于纵向分路阻抗峰值位置与横向分路阻抗位置有一定的偏差,综合考虑后选择使用这三种尺寸。

      图  6  (在线彩图)不同t值slot-ring结构kicker纵向分路阻抗

      需要注意的是,前文所述slot-ring结构及其仿真结果都在其槽环内部加了6 mm厚陶瓷管道,引入陶瓷材料作为束流真空管道使得slot-ring结构开槽部分位于真空管道外部,减少该结构用作kicker时真空室的热损耗问题。同时,引入陶瓷增加了slot-ring结构整体的介电常数(陶瓷相对介电常数约为9.8),根据谐振频率与电感电容的关系$ \omega = {1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 {\sqrt {LC} }}} \right. } {\sqrt {LC} }} $,可知介电常数变大,电容增大,谐振频率降低。即若使用去掉陶瓷管道的slot-ring结构,谐振频率将升高,同时分路阻抗值变低[9]

    • 为减少管道外微波传输系统使用的放大器(pickup端使用低噪声放大器,kicker端使用功率放大器)数量,在实际使用中,将pickup结构上16个slot-ring单元结构并为一组,一组中同一侧的电极信号使用十六路合路器合并输出,同样地,在kicker端使用一分十六功分器分别馈入。同时,考虑到束流在管道中的运动情况,该功分器/合路器的各输出/输入端口的需要有一定的时延差。具体设计中使用二等分功分器级联的方式得到十六路功分器,基本二等分功分器单元使用微带线Wilkinson功分器。

      普通的三端口网络如T型结分配器不能在无耗互易的条件下同时达到各端口的匹配,而Wilkinson功分器中引入了隔离电阻,功分器变为有耗三端口网络,同时实现各端口阻抗匹配并具有良好的隔离度。如图7(a)为二等分Wilkinson功分器的基本结构示意,其中三个输入/输出端口的特征阻抗为Z0=50 Ω,二等分段采用四分之一波长阻抗变换器的形式。信号自1端口输入,由于电路的对称性,在2、3端口得到相同的输出信号,该过程中隔离电阻两端电位相等,不消耗功率。若信号自2端口输入或1端口输入信号在2端口产生反射,则该信号一部分传输到1端口一部分传输到3端口,传输到3端口的信号一路经隔离电阻直接到达,一路经两个$\lambda $/4阻抗变换器到达,调节隔离电阻阻值,使得这两路信号相位相差180°且幅度相等,进而相互抵消,使得2端口与3端口之间有较好的隔离度[7]

      图  7  Wilkinsong功分器原理示意

      上述过程为单节Wilkinson功分器,为实现功分器有更大的带宽,可以使用多节$\lambda $/4阻抗变换段,如图7(b)所示,同时相应增加隔离电阻的个数以保证良好的隔离度。阻抗变换节数越多,功分器的带宽越宽,但同时其尺寸变大、插入损耗增加,所以设计时要在保证功分器带宽的同时选择合适的节数以控制插入损耗。

    • 如前文所述,该功分器/合路器是应用于slot-ring结构的。在pickup端,束流信号并不是同时到达合路器各输入端口,而是在束流管道内流经各单元结构,依次到达各输出端口并通过合路器将信号合并输出,为使最后合成信号为各路信号同相叠加而成,需要在级联Wilkinson功分器的各级引入不同长度的延时微带线。同理可知,在kicker端延时微带线的作用是将经过宽带微波系统处理后的信号依次馈入slot-ring各单元结构,使得束流流经kicker各单元结构时激励信号同时到达并作用。设连接pickup/kicker端的一级功分器两端口需设置的长度为L的延时微带线,则后续各级功分器各需设置2L、4L、8L的延时微带线,有:

      $$ t = \frac{h}{{\beta c}}, $$ (9)
      $$ L = t \times \frac{c}{{\sqrt {{\varepsilon _{\rm e}}} }} = \frac{h}{{\beta \sqrt {{\varepsilon _{\rm e}}} }} , $$ (10)

      其中:t为束流经过两端口所需的时间;h为slot-ring结构两相邻端口之间距离,即单元结构纵向长度13.5 mm;$\beta $=0.83;c为光速;$\varepsilon_{\mathrm{e}} $为微带线有效介电常数。

      使用介质基板为Rogers4350B板材,厚度为0.762 mm,其相对介电常数$\varepsilon_{\mathrm{r}} $为3.48,损耗角正切为0.003 1。计算得到特征阻抗为50 Ω的微带线线宽为1.75 mm,0.9 GHz对应$\lambda / 4 $约为50.4 mm,有效介电常数为2.73。通过式(9)、式(10)计算得到t=54.2 ps,L=9.84 mm。同时根据功分器工作带宽及性能要求,选择使用两节λ/4阻抗变换器,两节微带线归一化特征阻抗值分别为z1=1.219 7,z2=1.539 8,两隔离电阻归一化值分别为r1=4.82、r2=1.96,由此计算出相应微带线线宽并将上述参数作为初始值在HFSS软件中进行进一步仿真优化。

    • 图8为使用HFSS软件建立的一分二功分器模型。由于设置了延时微带线,可以看到端口2对应的输出段微带线较端口3输出段更长些。为改善该功分器性能,根据初步仿真结果在计算得到的尺寸参数上进行了优化,最终得到的仿真结果如图9所示,图中h表示介质基板厚度。由图可知,该功分器在0.6~1.2 GHz带宽内的插入损耗低于0.21 dB,隔离度大于20 dB,输入输出端口驻波比VSWR小于1.5。同时,在工作带宽内两个输出端口的时延之差在53.4~56.2 ps之间,符合设计要求,在此基础上进行多级功分器的设计。

      图  8  (在线彩图)一分二Wilkinson功分器HFSS软件模型

      图  9  (在线彩图)一分二Wilkinson功分器HFSS仿真结果

      图10为在上述一分二功分器基础上通过级联方式设计一分十六功分器及其仿真结果。十六路功分器插入损耗小于1 dB,隔离度大于20 dB,输入输出端口驻波比VSWR小于1.5。

      图  10  (在线彩图)一分十六功分器HFSS模型及仿真结果

    • 将上述一分十六功分器交付板厂加工完成后,焊接SMA端头进行信号输入输出,使用贴片电阻做隔离电阻,成品如图11所示。

      图  11  (在线彩图)一分十六功分器实物图

      使用矢量网络分析仪对其进行测试,结果如图12所示,与图10中软件仿真结果相比较,可以看出,在工作带宽内功分器性能整体趋势与软件模拟结果相似,插入损耗略有增加,原因可能是端口及隔离电阻焊接时引入了一定的损耗,介质基板参数与仿真时使用的值有一定偏差。隔离度大于20 dB,输入输出端口驻波比小于1.5。图12(d)为该十六路功分器各相邻输出端口时延之差,可以看出,时延值整体与设计指标54.2 ps相接近但略有超出,进一步可以通过减小延时微带线的长度L进行优化。

      图  12  (在线彩图)十六路功分器实物测量结果

    • 本文介绍了HIAF项目SRing随机冷却系统slot-ring型pickup/kicker的设计及仿真优化过程,同时设计加工了相配套的具有时延功用的十六路功分器。详细介绍了如何使用高频结构仿真软件HFSS进行slot-ring型结构的设计及优化。仿真结果显示,slot-ring结构适用于高β束流,具有较高的分路阻抗且可以通过改变开槽深度t以及单元结构纵向长度h等尺寸参数,对工作带宽及带内分路阻抗值进行调节。此外,通过在slot-ring结构内部引入陶瓷真空管道提高了分路阻抗的同时减少了结构热损耗,提出并验证了使用不同t值的slot-ring单元结构组合,来增大pickup/kicker整体分路阻抗平坦度。使多节$ \lambda/4 $阻抗变换器设计并加工了十六路Wilkinson功分器,利用HFSS软件进行仿真优化,该功分器尺寸与pickup/kicker相匹配,具有延时微带线,可以在粒子加速器特殊场景使用,其在0.6~1.2 GHz工作带宽内插入损耗小于1.1 dB,幅度平坦度大于±0.3 dB,隔离度大于20 dB,驻波比小于1.5。

参考文献 (9)

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