CN102013375B - 一种适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置 - Google Patents
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Abstract
一种适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置，属于真空电子技术领域。包括一个直排双梳齿加载圆波导(4)和一个双脊加载矩形波导(3)；直排双梳齿加载圆波导(4)由多个直径相等的双脊加载圆波导片同轴、重叠地连接在一起；其中偶数位或奇数位的双脊加载圆波导片(1)的脊高度相等，所有圆波导片所加载的双脊形成梳齿高度逐渐减小的直排双梳齿结构；双脊加载矩形波导(3)通过一个具有输入输出窗口的圆形金属短路板与所述直排双梳齿加载圆波导(4)连接在一起。本发明实现了将微波信号能量很好地耦合进卷绕双梳齿慢波结构，并将被放大了的微波信号能量很好地从卷绕双梳齿慢波结构中提取出来，同时易与现有的标准导波装置连接。
Description
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，特别涉及圆极化行波管中的输入输出结构。
背景技术
行波管是真空电子技术领域内最为重要的一类微波源，具有大功率、高效率、高增益、宽频带和长寿命的特点，广泛应用于雷达、制导、卫星通信、微波遥感、辐射测量等领域，其性能直接决定着装备的水平。行波管的核心部件是慢波结构。常用的慢波结构有螺旋线、耦合腔和曲折波导等。由于空间电荷效应的影响，由这些慢波结构构成的器件都具有很强的非线性特性。
为了从本质上降低器件的非线性特性，基于电子束横向波理论的圆极化行波管开始被广泛关注。它是应用洛仑兹力作为弹力，使电子束在没有形成群聚的情况下发生空间畸变，即整体产生交变的横向位移，从而极大地减弱了电子束的空间电荷效应，提高了器件的线性度。
卷绕双梳齿慢波结构(如图1所示)是圆极化行波管中最有潜力的慢波结构。它由两把相向的梳齿结构沿中心轴卷绕，再装入圆柱波导中形成。卷绕双梳齿慢波结构的结构也可以描述成直径相等(2R)的两种双脊加载圆波导片彼此间隔并沿中心轴卷绕而成(相邻两个双脊加载圆波导片的加载脊之间的夹角为周期卷绕角度α)，其中一种双脊加载圆波导片的加载脊高度稍高(如图3所示)，另一种双脊加载圆波导片的加载脊高度稍低(如图4所示)，相邻两个双脊加载圆波导片的厚度之和为梳齿周期长度p。由于两种高度不等的加载脊彼此间隔并沿中心轴卷绕，从而形成卷绕双梳齿结构，其中的梳齿形状可以是矩形、扇形或梯形等，梳齿末端可以是直线、内圆弧或外圆弧。
关于卷绕双梳齿型圆极化行波管目前仍处于理论研究阶段，其中一个非常重要的原因是没有合适的输入输出结构，即能量耦合装置。这样直接导致无法进行卷绕双梳齿型慢波系统的实验研究，甚至也无法在现有的粒子模拟软件中进行理论模拟分析，致使关于圆极化行波管的研究停滞不前。
发明内容
为了实现将微波信号能量很好地耦合进卷绕双梳齿慢波结构，同时将被放大了的微波信号能量很好地从卷绕双梳齿慢波结构中提取出来，本发明提出了一种适用于卷绕双梳齿慢波 结构的能量耦合装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置，如图2所示，包括一个直排双梳齿加载圆波导4和一个双脊加载矩形波导3。所述直排双梳齿加载圆波导4由多个直径相等的双脊加载圆波导片同轴、重叠地连接在一起；其中偶数位或奇数位的双脊加载圆波导片1(如图3所示)的脊高度相等，其余奇数位或偶数位的双脊加载圆波导片2(如图4所示)的脊高度逐渐增加，由于相邻两个圆波导片的厚度之和为梳齿周期长度p，由于相邻两个圆波导片所加载的脊高度不等，使得所有圆波导片所加载的双脊形成梳齿高度逐渐减小的直排双梳齿结构，两排梳齿之间的距离为2a；所述双脊加载矩形波导3的加载脊之间的距离为2a，脊加载方向与直排双梳齿加载圆波导4中的双脊加载圆波导片的脊加载方向一致，并通过一个圆形金属短路板与所述直排双梳齿加载圆波导4连接在一起；其中圆形金属短路板中间具有一个与双脊加载矩形波导3相对应的矩形波导输入或输出窗口；直排双梳齿加载圆波导4中与圆形金属短路板直接相连的双脊加载圆波导片的加载脊之间的距离为2a。
上述技术方案中，所述梳齿高度逐渐减小的直排双梳齿结构的梳齿高度可以呈直线型、抛物线型、双曲线型或各种多项式曲线型减小；所述直排双梳齿加载圆波导4中相邻两个双脊加载圆波导片的厚度可以相等，也可以不相等。
本发明的工作原理可以描述为：
两个所述的能量耦合装置的直排双梳齿加载圆波导部分与卷绕双梳齿慢波结构的两端分别同轴重叠相连，一起构成了圆极化行波管的高频通道。能量耦合装置的作用是为了实现标准双脊加载矩形波导与卷绕双梳齿慢波结构之间的微波阻抗匹配，从而实现微波信号能量无反射地从标准双脊加载矩形波导馈入卷绕双梳齿慢波结构，所馈入的微波信号与卷绕双梳齿慢波结构中的自由电子束发生相互作用，实现微波信号功率的放大，放大后的微波信号再经由与卷绕双梳齿慢波结构另一端的该能量耦合装置无反射的输出到标准双脊加载矩形波导。
本发明的有益效果是：
(1)在工作频带内，将两个能量耦合装置连接到卷绕双梳齿慢波结构的首尾两端，组成带有能量耦合装置的慢波系统，仿真得到其驻波比小于1.2，如图5所示，成功实现了微波信号能量很好地耦合进卷绕双梳齿慢波结构和提取出卷绕双梳齿慢波结构；
(2)能量耦合装置中的双脊加载矩形波导，具有工作模式纯、易加工及易与现有的标准导波装置连接等特点，避免了使用双脊加载圆波导会导致多模工作的危险。
附图说明
图1是卷绕双梳齿慢波结构的结构示意图。
图2是本发明提供的适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置的结构示意图。
图3是本发明提供的适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置中加载脊高度较高的双脊加载圆波导片1的结构示意图。
图4是本发明提供的适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置中加载脊高度较低的双脊加载圆波导片2的结构示意图。
图5是本发明提供的适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置的慢波系统的驻波比仿真测试曲线。
具体实施方式
一种适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置，如图2所示，包括一个直排双梳齿加载圆波导4和一个双脊加载矩形波导3。所述直排双梳齿加载圆波导4由多个直径相等的双脊加载圆波导片同轴、重叠地连接在一起；其中偶数位或奇数位的双脊加载圆波导片1(如图3所示)的脊高度相等，其余奇数位或偶数位的双脊加载圆波导片2(如图4所示)的脊高度逐渐增加，由于相邻两个圆波导片的厚度之和为梳齿周期长度p，由于相邻两个圆波导片所加载的脊高度不等，使得所有圆波导片所加载的双脊形成梳齿高度逐渐减小的直排双梳齿结构，两排梳齿之间的距离为2a；所述双脊加载矩形波导3的加载脊之间的距离为2a，脊加载方向与直排双梳齿加载圆波导4中的双脊加载圆波导片的脊加载方向一致，并通过一个圆形金属短路板与所述直排双梳齿加载圆波导4连接在一起；其中圆形金属短路板中间具有一个与双脊加载矩形波导3相对应的矩形波导输入或输出窗口；直排双梳齿加载圆波导4中与圆形金属短路板直接相连的双脊加载圆波导片的加载脊之间的距离为2a。
上述技术方案中，以S波段为例，所述能量耦合装置各部件尺寸为：双脊加载矩形波导3宽边2ar为72.14毫米，窄边2br为34.04毫米，长度lr为30毫米，加载脊间距2a为8毫米；直排双梳齿加载圆波导4中梳齿周期长度p为4毫米，双脊加载圆波导片直径2R为80毫米，两排双梳齿之间的距离2a为8毫米，梳齿高度从18毫米线性变化至2毫米，相邻两个梳齿高度差为2毫米、间距d为1毫米；短路连接板中的矩形输入输出窗尺寸为72.14×34.04毫米。
在卷绕双梳齿慢波结构的首末端分别连接一个上述能量耦合装置，形成慢波系统，其中卷绕双梳齿慢波结构的相关尺寸为：直径2R为80毫米，两排双梳齿之间的距离2a为8毫米， 梳齿周期长度p为4毫米，梳齿高度为20毫米，梳齿间距d为1毫米，周期卷绕角度α为18deg。
利用三维电磁仿真软件CST MWS 2009对上述慢波系统进行仿真，获得驻波比曲线，仿真结果如图4所示。从图4中可知：带有能量耦合装置的慢波系统，在2.7～4GHz频带内，其驻波比均小于1.2，具有良好的微波传输特性。
Claims (4)
1.一种适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置，包括一个直排双梳齿加载圆波导（4）和一个双脊加载矩形波导（3）；其特征在于：
所述直排双梳齿加载圆波导（4）由多个直径相等的双脊加载圆波导片同轴、重叠地连接在一起；其中偶数位或奇数位的双脊加载圆波导片（1）的脊高度相等，其余奇数位或偶数位的双脊加载圆波导片（2）的脊高度逐渐增加，由于相邻两个圆波导片的厚度之和为梳齿周期长度p，由于相邻两个圆波导片所加载的脊高度不等，使得所有圆波导片所加载的双脊形成梳齿高度逐渐减小的直排双梳齿结构，两排梳齿之间的距离为2a；
所述双脊加载矩形波导（3）的加载脊之间的距离为2a，脊加载方向与直排双梳齿加载圆波导（4）中的双脊加载圆波导片的脊加载方向一致，并通过一个圆形金属短路板与所述直排双梳齿加载圆波导（4）连接在一起；其中圆形金属短路板中间具有一个与双脊加载矩形波导（3）相对应的矩形波导输入或输出窗口；直排双梳齿加载圆波导（4）中与圆形金属短路板直接相连的双脊加载圆波导片的加载脊之间的距离为2a。
2.根据权利要求1所述的适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置，其特征在于，所述梳齿高度逐渐减小的直排双梳齿结构的梳齿高度呈抛物线型或双曲线型减小。
3.根据权利要求1所述的适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置，其特征在于，所述直排双梳齿加载圆波导（4）中相邻两个双脊加载圆波导片的厚度相等。
4.根据权利要求1所述的适用于卷绕双梳齿慢波结构的能量耦合装置，其特征在于，所述直排双梳齿加载圆波导（4）中相邻两个双脊加载圆波导片的厚度不相等。
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