一種帶狀注器件的曲線耦合輸入輸出裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于真空電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于高功率微波、毫米波和太赫茲波段的帶狀注器件的輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]微波電子器件作為一種極為重要的高功率微波、毫米波源，被廣泛運(yùn)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信、電子對(duì)抗、高速數(shù)據(jù)傳輸、拒止武器、微波加熱等領(lǐng)域。微波電子系統(tǒng)高靈敏度、高可靠性的遠(yuǎn)距離傳輸與探測(cè)，將引導(dǎo)器件向高頻率、寬頻帶、大功率、高效率、高可靠性和小型化等方向發(fā)展。近年來，帶狀電子束的出現(xiàn)，促使帶狀注電子器件在微波至太赫茲波頻段有著誘人的發(fā)展前景，帶狀電子注通過采用具有較大寬高比的矩形或橢圓形橫截面，來增大電子注電流，提高整管的輸出功率。同時(shí)，帶狀電子注由于具有較低的電流密度，大大降低了對(duì)聚焦磁場(chǎng)的要求，可以采用周期永磁聚焦的方式，從而利于實(shí)現(xiàn)整管的小型化。另夕卜，帶狀束器件適合平面結(jié)構(gòu)的慢波電路，更有利于在高頻率下產(chǎn)生高功率。因此，相應(yīng)的能量耦合裝置包括輸入和輸出結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也被提出了更高的要求，如高頻率、寬頻帶、高效率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊易加工。
[0003]輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)將外加驅(qū)動(dòng)信號(hào)有效輸入至高頻互作用電路并將放大后的信號(hào)輸出至外接波導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，因此，除了要確保具有較高的功率傳輸效率外，同時(shí)也應(yīng)保證電磁波盡量少的通過電子注通道耦合到電子槍和收集極區(qū)域進(jìn)而引起的電子注不穩(wěn)定性，另外也可以防止過多的電磁波向外泄露。
[0004]由于帶狀束器件的快速發(fā)展，多種結(jié)構(gòu)的輸入輸出結(jié)構(gòu)被提出。電子科技大學(xué)賴劍強(qiáng)等人在“W-band 1-Kw Staggered Double-Vane Traveling-Wave Tube”(IEEE Trans.0n Electron Devices，2012年，59卷，496-503頁，作者:賴劍強(qiáng)，宮玉彬，許雄等人)一文中設(shè)計(jì)了一種漸變脊波導(dǎo)加載的帶狀束行波管輸入輸出耦合器；此結(jié)構(gòu)的隔離度較好，在工作頻帶內(nèi)小于-20dB，但I(xiàn)dB傳輸帶寬不寬，相應(yīng)的相對(duì)帶寬達(dá)24.1%，且電子注通道太小，難以發(fā)揮帶狀注器件的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，特別是應(yīng)用于高頻段，不易加工。電子科技大學(xué)鄭源等人在“Extremely broad bandwidth input/output coupling structuredesign for Q-band sheet-beam traveling-wave tube，，(IEEE Trans.Plasma Sc1., 2014年，42卷，3339-3343頁，作者:鄭源，王建勛，羅勇)中提出了一種E面多孔輸入輸出耦合器，該結(jié)構(gòu)隔離帶寬效果非常好，隔離度小于_20dB的相對(duì)帶寬達(dá)36.4%。但是，多個(gè)耦合孔增加了結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，不易加工測(cè)試?yán)鋮s，同時(shí)E面波導(dǎo)平行耦合不利于與聚焦永磁體的小型化集成和封裝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)【背景技術(shù)】中所介紹的輸入輸出耦合器工作頻帶較窄，功率容量低，電子注通道小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜不緊湊等問題，提出了一種H面曲線(輪廓線分布包括:線性分布、chebyshev分布、三角函數(shù)分布和二項(xiàng)式分布等)耦合波導(dǎo)的輸入輸出耦合裝置，實(shí)現(xiàn)了較寬的工作帶寬，較好的隔離效果，高功率輸出，寬電子注通道，同時(shí)結(jié)構(gòu)的緊湊性，非常便于加工。
[0006]本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案:
[0007]帶狀注器件的曲線耦合輸入輸出裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1至圖4所示，包括矩形主波導(dǎo)105、矩形副波導(dǎo)106及曲線耦合波導(dǎo)107，所述主波導(dǎo)105與副波導(dǎo)106平行排布且二者之間通過曲線耦合波導(dǎo)107耦合能量；所述主波導(dǎo)105包括與慢波結(jié)構(gòu)連接的波導(dǎo)端口 101、與電子槍或收集極連接的波導(dǎo)端口 102，所述副波導(dǎo)106包括輸入或輸出的端口 103、連接負(fù)載匹配或直接短路的波導(dǎo)端口 104 ;所述曲線耦合波導(dǎo)107的平行于主波導(dǎo)105及副波導(dǎo)106的H面的截面如圖2所示，截面的上、下邊平行，截面的左、右兩邊為呈鏡像對(duì)稱的曲線輪廓線108，所述曲線輪廓線108可以為線性分布、chebyshev分布、三角函數(shù)分布及二項(xiàng)式分布中的一種；
[0008]若所述曲線耦合輸入輸出裝置作為帶狀注器件的輸出波導(dǎo)，則電磁波與電子注在慢波結(jié)構(gòu)中經(jīng)過注波互作用通過端口 101進(jìn)入主波導(dǎo)105，電磁波經(jīng)由主波導(dǎo)H面的耦合窗口通過曲線耦合波導(dǎo)107被耦合進(jìn)與主波導(dǎo)H面平行的副波導(dǎo)106中，最后通過端口 103輸出，電子注則由端口 102進(jìn)入收集級(jí)；若作為帶狀注器件的輸入波導(dǎo)，則電磁波通過輸入端口 103進(jìn)入到副波導(dǎo)106中，通過H面的曲線耦合波導(dǎo)107耦合進(jìn)主波導(dǎo)105，電子注則由端口 102進(jìn)入主波導(dǎo)105，電子注和電磁波通過主波導(dǎo)傳輸通過端口 101進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)，進(jìn)行注波互作用，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。
[0009]進(jìn)一步的，所述主波導(dǎo)105的H面與副波導(dǎo)106的H面相向平行設(shè)置，此時(shí)所述耦合波導(dǎo)107的兩端分別位于主波導(dǎo)105及副波導(dǎo)106的H面上；或者，所述主波導(dǎo)105的E面與副波導(dǎo)106的E面相向平行設(shè)置，此時(shí)所述耦合波導(dǎo)107的兩端分別位于主波導(dǎo)105及副波導(dǎo)106的E面上。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:
[0011]本發(fā)明采用了 H面曲線耦合波導(dǎo)，一定程度地?cái)U(kuò)大工作帶寬，減小耦合器與慢波結(jié)構(gòu)端口的反射，從而提高輸出耦合器的工作性能；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，有利于與周期永磁聚焦系統(tǒng)小型化集成和封裝且可沿E面擴(kuò)展，適用頻帶廣泛；該結(jié)構(gòu)加工容易，只需從一面進(jìn)行切洗，利于用作高頻耦合器；平面結(jié)構(gòu)易于冷卻，具有高功率容量；另外，電子注通道尺寸等于高頻結(jié)構(gòu)中的電子注通道尺寸，從而利于發(fā)揮帶狀電子注的優(yōu)勢(shì)；耦合波導(dǎo)改進(jìn)為一定傾斜角度，可以矯正匹配由于親合波導(dǎo)造成的傳輸相位偏移，改善由于高頻與輸入輸出結(jié)構(gòu)之間波導(dǎo)阻抗不連續(xù)性所造成的反射，同時(shí)擴(kuò)展了整個(gè)輸入輸出耦合裝置的工作帶寬。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明提供的曲線耦合波導(dǎo)輸入輸出耦合裝置的俯視圖；
[0013]圖2是本發(fā)明提供的曲線耦合波導(dǎo)輸入輸出耦合裝置的前視剖面即A-A截面圖；
[0014]圖3是本發(fā)明提供的曲線耦合波導(dǎo)輸入輸出耦合裝置的左視圖；
[0015]圖4是本發(fā)明提供的曲線耦合波導(dǎo)輸入輸出耦合裝置的俯視剖面即B-B截面圖；
[0016]圖5是本發(fā)明實(shí)施例2提供的曲線耦合波導(dǎo)輸入輸出耦合裝置的俯視剖面即B-B截面圖；
[0017]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1提供的輸入輸出耦合裝置端口104端接匹配負(fù)載時(shí)的反射(Sn)、隔離(S21)傳輸(S31)系數(shù)仿真結(jié)果；
[0018]圖7是本發(fā)明實(shí)施例1提供的輸入輸出耦合裝置端口104短路時(shí)的反射(S11)、隔離(S21)傳輸(S31)系數(shù)仿真結(jié)果；
[0019]圖8是本發(fā)明實(shí)施例2提供的傾斜耦合波導(dǎo)輸入輸出耦合裝置端口4短路的反射(Sn)、隔離(S21)傳輸(S31)系數(shù)仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述
[0021]實(shí)施例1
[0022]本實(shí)施例以工作在W頻段(75-1 1GHz，中心頻率95GHz)的應(yīng)用于帶狀束行波管輸入輸出結(jié)構(gòu)為例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023]本實(shí)施例提供的輸入輸出耦合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1至圖4所示，其中曲線耦合波導(dǎo)輪廓108采用chebyshev分布，所述親合波導(dǎo)107的兩端分別位于主波導(dǎo)105及副波導(dǎo)106的H面上，所述親合波導(dǎo)107的傳輸方向與主波導(dǎo)105的H面垂直。
[0024]圖6給出了本實(shí)施例所示結(jié)構(gòu)端口4接匹配負(fù)載的反射、隔離度和傳輸參數(shù)，
[0025]可以看出端口反射低于-15dB的帶寬為19.3Hz，隔離度小于_20dB的帶寬達(dá)
19.9GHz，圖7給出了端口 4短路的反射參數(shù)、隔離度和傳輸參數(shù)；通過短路結(jié)構(gòu)的參數(shù)，可以看出端口反射低于-15dB的帶寬為19.3GHz，隔離度小于-20dB的帶寬達(dá)21.8GHz，IdB(S31)-1dB)傳輸帶寬23.2GHzο可見端口 4短路對(duì)端口 I反射沒影響，但對(duì)端口 2隔離的影響較大，帶寬變寬。
[0026]實(shí)施例2
[0027]進(jìn)一步，通過改變耦合波導(dǎo)的沿主波導(dǎo)傳輸?shù)姆较颍C正和匹配電磁波在耦合波導(dǎo)處由于不同頻點(diǎn)相位出現(xiàn)超前和滯后現(xiàn)象，調(diào)節(jié)所述耦合波導(dǎo)107的傳輸方向與主波導(dǎo)105的H面之間的角度Θ，使得Θ小于90°，如圖5所示，可進(jìn)一步擴(kuò)展該耦合器的工作帶寬以及改善低頻帶的反射性能。
[0028]本實(shí)施例的chebyshev分布的耦合波導(dǎo)107的傳輸方向相對(duì)于主波導(dǎo)105的H面垂線方向具有一定的傾斜度，如圖5所示，其他結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1完全相同。圖8給出了本實(shí)施例采用傾斜的chebshev分布的耦合波導(dǎo)輸入輸出耦合裝置端口反射參數(shù)(S11)、傳輸參數(shù)(S21)和隔離性能(S31)結(jié)果?？梢钥闯?，通過改變優(yōu)化耦合波導(dǎo)的傾斜角，可以改變相位傳輸，進(jìn)而降低耦合器的反射，提高傳輸和反射性能，其帶寬分別向低頻工作區(qū)域擴(kuò)展了 7GHz 和 9GHz。
[0029]以上實(shí)例僅為方便說明本發(fā)明，本發(fā)明可以適用于微波至亞毫米波的多個(gè)頻帶，包括X、Ku、Ka、Q、W、D和G頻段的行波管、返波管和速調(diào)管。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶狀注器件的曲線耦合輸入輸出裝置，包括矩形主波導(dǎo)(105)、矩形副波導(dǎo)(106)及曲線耦合波導(dǎo)(107)，所述主波導(dǎo)(105)與副波導(dǎo)(106)平行排布且二者之間通過曲線耦合波導(dǎo)(107)耦合能量；所述主波導(dǎo)(105)包括與慢波結(jié)構(gòu)連接的波導(dǎo)端口(101)、與電子槍或收集極連接的波導(dǎo)端口(102)，所述副波導(dǎo)(106)包括輸入或輸出的端口(103)、連接負(fù)載匹配或直接短路的波導(dǎo)端口(104)，其特征在于，針對(duì)所述曲線耦合波導(dǎo)(107)，其平行于主波導(dǎo)(105)H面的截面的上、下邊平行，所述截面的左、右兩邊為呈鏡像對(duì)稱的曲線輪廓線(108)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶狀注器件的曲線耦合輸入輸出裝置，其特征在于，所述主波導(dǎo)(105)的H面與副波導(dǎo)(106)的H面相向平行設(shè)置，此時(shí)所述耦合波導(dǎo)(107)的兩端分別位于主波導(dǎo)(105)及副波導(dǎo)(106)的H面上；或者，所述主波導(dǎo)(105)的E面與副波導(dǎo)(106)的E面相向平行設(shè)置，此時(shí)所述耦合波導(dǎo)(107)的兩端分別位于主波導(dǎo)(105)及副波導(dǎo)(106)的E面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶狀注器件的曲線耦合輸入輸出裝置，其特征在于，所述曲線輪廓線(108)為chebyshev分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶狀注器件的曲線耦合輸入輸出裝置，其特征在于，所述曲線輪廓線(108)為線性分布、三角函數(shù)分布或二項(xiàng)式分布中的一種。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種帶狀注器件的曲線耦合輸入輸出裝置，屬于真空電子技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中所用的輸入輸出耦合器工作頻帶較窄、功率容量低、電子注通道小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜不緊湊等問題，提出了一種H面曲線耦合波導(dǎo)的輸入輸出耦合裝置，曲線輪廓線分布可以為線性分布、chebyshev分布、三角函數(shù)分布和二項(xiàng)式分布等，由此實(shí)現(xiàn)了較寬的工作帶寬、較好的隔離效果、高功率輸出、寬電子注通道，且本發(fā)明的輸入輸出耦合裝置結(jié)構(gòu)的緊湊性非常便于加工。
【IPC分類】H01P3-08, H01J23-48
【公開號(hào)】CN104851767
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510241142
【發(fā)明人】王建勛, 楊利亞, 劉國(guó), 舒國(guó)響, 羅勇
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月13日