新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)，用于解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)插入損耗大的問題，該結(jié)構(gòu)包括圓波導(dǎo)及垂直加載于圓波導(dǎo)的矩形波導(dǎo)，所述圓波導(dǎo)的電子注輸入段設(shè)置有一個(gè)以上矩形凹槽，所述矩形凹槽位于耦合輸入結(jié)構(gòu)的對稱面上。與矩形波導(dǎo)的截面中心距離為(1/2+n)λ、n為正整數(shù)，其中λ為圓波導(dǎo)中心頻點(diǎn)TE11模的波長；所述矩形凹槽的長、寬由對應(yīng)的工作頻段與耦合量決定，深度為1/8λ′～3/8λ′、其中λ′為矩形凹槽對應(yīng)尺寸的矩形波導(dǎo)的TE10模的波長。本發(fā)明有效減小輸入電磁波的插入損耗，且通過增加矩形槽的數(shù)量和調(diào)節(jié)矩形槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠工作于不同需要的寬頻帶范圍；結(jié)構(gòu)簡單、加工方便。
【專利說明】新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波真空器件領(lǐng)域，涉及一種用于真空回旋行波管的輸入裝置，具體是一種新型寬帶低插入損耗的耦合輸入裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]微波真空回旋放大器件是利用真空中的運(yùn)動(dòng)電子所攜帶的動(dòng)能去放大微波能量的器件。電子槍產(chǎn)生電子注，電子注在高頻結(jié)構(gòu)中與高頻場相互作用，電子動(dòng)能轉(zhuǎn)化成高頻場能。其中回旋行波器件在毫米波段能在較寬頻帶實(shí)現(xiàn)高功率輸出，使其成為高功率微波源中一種重要的相干輻射源，在雷達(dá)和通信系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。其中耦合輸入結(jié)構(gòu)的主要作用是將低功率的驅(qū)動(dòng)信號高效、穩(wěn)定地輸入回旋行波管放大器的主作用回路。
[0003]目前，回旋行波管多采用圓波導(dǎo)作為其主回路，采用TE11作為工作模式，并且工作頻帶靠近其主互作用回路的截止頻率。因而，回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)主要采用矩形輸入波導(dǎo)與圓形主波導(dǎo)直接垂直相連的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中圓波導(dǎo)一端連接電子槍區(qū)，定義圓波導(dǎo)與電子槍區(qū)連接端至圓波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)連接處之間的一段圓波導(dǎo)為電子注輸入段，圓波導(dǎo)與電子槍區(qū)的連接端為始端，圓波導(dǎo)另一端連接高頻結(jié)構(gòu)；TE1(I模式的電磁波從矩形波導(dǎo)注入，經(jīng)過與圓波導(dǎo)的連接處后轉(zhuǎn)化為TE11模式在圓波導(dǎo)中傳輸，與電子駐共同進(jìn)入高頻結(jié)構(gòu)。但是，這種垂直相連的結(jié)構(gòu)只能將矩形波導(dǎo)輸入電磁波一半能量轉(zhuǎn)化為正向傳輸?shù)碾姶挪ㄟM(jìn)入高頻結(jié)構(gòu)與電子注互作用；與此同時(shí)，另外一半的輸入能量轉(zhuǎn)化成為了反向傳輸?shù)哪芰窟M(jìn)入電子注輸入段，被電子注輸入段始端加載的吸波介質(zhì)吸收，導(dǎo)致該耦合輸入結(jié)構(gòu)輸入電磁波插入損耗極大。插入損耗過大則需要提高前端輸出功率要求，而前端一般采用固態(tài)器件或者傳統(tǒng)行波管制成，輸出功率十分有限，難以提供較高功率；若采用功率合成，其成本高昂，且合成需要控制相位，同樣難以實(shí)現(xiàn)。因此，減小輸入電磁波的插入損耗成為我們的研究核心。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對傳統(tǒng)回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)插入損耗大的缺陷提供一種新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠在寬頻帶范圍內(nèi)有效減少輸入電磁波的插入損耗。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)，包括圓波導(dǎo)及垂直加載于圓波導(dǎo)的矩形波導(dǎo)；其特征在于，所述圓波導(dǎo)的電子注輸入段設(shè)置有一個(gè)以上矩形凹槽，所述矩形凹槽位于耦合輸入結(jié)構(gòu)的對稱面上，與矩形波導(dǎo)的截面中心距離為(l/2+n) λ、n為正整數(shù)，其中λ為圓波導(dǎo)中心頻點(diǎn)TE11模的波長。
[0006]進(jìn)一步的，所述矩形凹槽的長、寬由對應(yīng)的工作頻段與耦合量決定，深度為1/8 λ'?3/8 λ'、其中λ'為矩形凹槽對應(yīng)尺寸的矩形波導(dǎo)的TEltl模的波長。
[0007]優(yōu)選的，所述圓波導(dǎo)的電子注輸入段始端設(shè)置有吸波介質(zhì)環(huán)。
[0008]本發(fā)明提供的新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)中，圓波導(dǎo)一端連接著電子槍區(qū)，定義圓波導(dǎo)與電子槍區(qū)連接端至圓波導(dǎo)垂直加載矩形波導(dǎo)連接處之間的一段圓波導(dǎo)為電子注輸入段、圓波導(dǎo)與電子槍區(qū)連接端為電子注輸入段始端，另一端連接高頻結(jié)構(gòu)，用于使電子槍發(fā)射的電子注與外部輸入的電磁波能順利地進(jìn)入高頻結(jié)構(gòu)。矩形波導(dǎo)垂直加載于圓波導(dǎo)，用于輸入小信號電磁波，與圓波導(dǎo)連接處不但能耦合出正向傳播的電磁波，也能耦合出反向傳入電子注輸入段的電磁波。一個(gè)以上的矩形凹槽開設(shè)于圓波導(dǎo)電子注輸入段，根據(jù)電磁波的導(dǎo)播理論，當(dāng)反方向傳播的電磁波遇到矩形凹槽時(shí)，部分電磁波會(huì)耦合至凹槽內(nèi)直至傳到短路面，進(jìn)而發(fā)生反射產(chǎn)生正向傳輸?shù)碾姶挪ǎ桓鶕?jù)半波長匹配理論設(shè)定矩形凹槽在圓波導(dǎo)的位置、尺寸及深度，使得矩形凹槽反射處的電磁波與反向傳輸?shù)碾姶挪ㄏ辔幌嗖?80度(即二分之一波長對應(yīng)的相差)，此時(shí)，兩種波形疊加產(chǎn)生相互抵消的效果，反向傳輸波的能量即相應(yīng)的減少并轉(zhuǎn)化為正向傳輸波的能量，即有效的減小輸入電磁波的插入損耗。同時(shí)，在電子注輸入段始端設(shè)置的介質(zhì)接收環(huán)能夠有效吸收多余的反向傳播的電磁波，防止電磁波進(jìn)入電子槍區(qū)，干擾電子槍的正常工作。
[0009]需要說明的是，本發(fā)明能夠通過調(diào)節(jié)矩形凹槽的參數(shù)與尺寸，方便地調(diào)節(jié)矩形凹槽產(chǎn)生反相位疊加相消波的頻段使得該新型耦合輸入結(jié)構(gòu)能夠工作于不同需要的寬頻帶范圍。
[0010]本發(fā)明的發(fā)明效果為:本發(fā)明有效減小輸入電磁波的的插入損耗，且通過增加矩形槽的數(shù)量和調(diào)節(jié)矩形槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠工作于不同需要的寬頻帶范圍；該新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，適用于多個(gè)頻段的微波器件，有效節(jié)約重復(fù)設(shè)計(jì)和加工成本，為產(chǎn)品的一致性提供保障；并且能夠在傳統(tǒng)耦合輸入結(jié)構(gòu)上直接改造。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為傳統(tǒng)回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)的三維剖視圖。
[0012]圖2為傳統(tǒng)回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)的二維側(cè)面剖視圖；其中，I為矩形波導(dǎo)、2為圓波導(dǎo)、3為矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接處、4為吸收介質(zhì)環(huán)。
[0013]圖3為本發(fā)明實(shí)施例新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)的三維剖視圖。
[0014]圖4為本發(fā)明實(shí)施例新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)的二維側(cè)面剖視圖；其中，I為矩形波導(dǎo)、2為圓波導(dǎo)、3為矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接處、4為矩形開槽、5為吸收介質(zhì)環(huán)。
[0015]圖5為本發(fā)明實(shí)施例新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)的傳輸系數(shù)曲線。
[0016]圖6為本發(fā)明其他實(shí)施方式新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)的二維側(cè)面剖視圖；其中，I為圓波導(dǎo)、2為矩形波導(dǎo)、3為矩形波導(dǎo)與圓波導(dǎo)連接處、4為二分之一波長矩形開槽、5為二分之三波長矩形開槽、6為吸收介質(zhì)環(huán)。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。為了方便說明，在此只采用15?18GHz的單矩形開槽的模型對本發(fā)明的新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明，但是，本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于此，基于本發(fā)明的其他頻段；多開槽、分布式開槽以及任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以想到的變化或者替換，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)力要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
[0018]本實(shí)施例提供的新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3、4所示，包括圓波導(dǎo)2及垂直加載于圓波導(dǎo)的矩形波導(dǎo)I ;所述圓波導(dǎo)一端連接著電子槍區(qū)，定義圓波導(dǎo)與電子槍區(qū)連接端至圓波導(dǎo)垂直加載矩形波導(dǎo)連接處之間的一段圓波導(dǎo)為電子注輸入段6、圓波導(dǎo)與電子槍區(qū)連接端為電子注輸入段始端，始端設(shè)置有BeO-SiC制成的長度為4mm吸收介質(zhì)環(huán)5 ;所述圓波導(dǎo)的電子注輸入段6設(shè)置有一個(gè)矩形凹槽4，該矩形凹槽位于耦合輸入結(jié)構(gòu)的對稱面上，與矩形波導(dǎo)的截面中心距離LI為9.37mm，為二分之一圓波導(dǎo)中心頻點(diǎn)TE11模的波長；其長、寬分別為9.5mm、4mm,槽深h為4mm。圓波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)均由純度很高無氧銅制作而成，利用銑刀預(yù)定位置處銑出相應(yīng)尺寸的矩形凹槽，矩形凹槽的長為工作頻段兩端點(diǎn)頻點(diǎn)TE11模的波長的二分之一的差值，寬由耦合量決定。
[0019]如圖5給出本實(shí)施例提供的新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)的S參數(shù)，由圖可以看出，在15GHz-18GHz頻段內(nèi)新型輸入耦合結(jié)構(gòu)的插入損耗基本低于3dB，相對于常用的輸入結(jié)構(gòu)在中心頻率附近減少了近2dB的損耗，大大降低了前期輸入的要求。
[0020]本專利還有一個(gè)非常大的優(yōu)勢在于基于本專利的設(shè)計(jì)方案可以對大量的老輸入耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。由于，輸入結(jié)構(gòu)通常采用焊接的方式與電子槍區(qū)和高頻結(jié)構(gòu)相連，對于需要改造的老結(jié)構(gòu)只需要將輸入耦合結(jié)構(gòu)部分切割下來，通過銑刀在圓波導(dǎo)內(nèi)相應(yīng)的位置銑出對應(yīng)的矩形凹槽結(jié)構(gòu)，然后再將改造后的結(jié)構(gòu)重新與電子槍區(qū)與高頻結(jié)構(gòu)焊接起來，就能完成改造。此種改造不僅理論上可行，而且實(shí)際上加工簡單方便，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)不會(huì)發(fā)生變化，所以不會(huì)影響整管其他零件不需要對器件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，大大節(jié)約了設(shè)計(jì)成本簡化了制作工藝。
【權(quán)利要求】
1.新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)，包括圓波導(dǎo)及垂直加載于圓波導(dǎo)的矩形波導(dǎo)；其特征在于，所述圓波導(dǎo)的電子注輸入段設(shè)置有一個(gè)以上矩形凹槽，所述矩形凹槽位于耦合輸入結(jié)構(gòu)的對稱面上，與矩形波導(dǎo)的截面中心距離為(l/2+n) λ、n為正整數(shù)，其中λ為圓波導(dǎo)中心頻點(diǎn)TE11模的波長。
2.按權(quán)利要求1所述新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述矩形凹槽的長、寬由對應(yīng)的工作頻段與耦合量決定，深度為1/8 λ '?3/8 λ'、其中λ '為矩形凹槽對應(yīng)尺寸的矩形波導(dǎo)的TEltl模的波長。
3.按權(quán)利要求1所述新型回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓波導(dǎo)的電子注輸入段始端設(shè)置有吸波介質(zhì)環(huán)。
【文檔編號】H01J23/36GK104051205SQ201410268703
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】王建勛, 鄭源, 羅勇 申請人:電子科技大學(xué)