CN102254771B - 一种耦合腔多注行波管慢波系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合腔多注行波管慢波系统，属于真空电子器件领域；本发明采用输入段及输出段的两段式结构，输入段由径向尺寸不同的铜环Ⅰ、铜环Ⅱ、铜环Ⅲ与极靴Ⅰ连接的耦合腔构成；输出段由径向尺寸不同的极靴Ⅰ、极靴Ⅱ与铜环Ⅰ连接的耦合腔构成。本发明比三段式结构长度小，在输入段的后部分，对慢波系统工作带宽内的高频部分做较多的补偿，同时使得低频输入端的抗饱和能力获得良好的增强；在输出段的后部分，使电子和慢波再同步，提高多注行波管的工作效率，减小其增益起伏。本发明不使用增益均衡装置，就使得耦合腔多注行波管的增益起伏小，有利于行波管的小型化。

Description

一种耦合腔多注行波管慢波系统

技术领域

本发明涉及微波真空电子器件领域，具体涉及一种耦合腔多注行波管慢波系统。

背景技术

行波管作为真空微波功率放大器件，具有频带宽、增益大、效率高、输出功率大等优点，在各类军用微波发射机中有着广泛的应用，被誉为武器装备的“心脏”。行波管根据其慢波结构可分为螺旋线行波管、耦合腔行波管等。多注耦合腔行波管是近年来发展起来的一种新型行波管，与单注行波管相比，其工作电压要远小于单注行波管，而由于行波管的管长与工作电压的大小成正比，多注行波管的管长相应的比单注行波管要小得多，从而有利于行波管的小型化，能够极大的扩大行波管的应用领域。

所述的这种耦合腔多注行波管慢波系统，由极靴和铜环连接的耦合腔连接构成，极靴和铜环交替排列，在极靴和铜环中心设有多个电子注通道，在极靴和铜环上各设有一个耦合槽，极靴和铜环上的耦合槽相互错开成180度排列；耦合腔多注行波管慢波结构上设置吸收器，同时在与输入耦合装置及输出耦合装置连接后，构成耦合腔多注行波管的慢波系统。

多注行波管电子枪发射具有一定速度的电子注注入慢波系统中，与由微波输入系统耦合到慢波系统中的微波信号在慢波系统中相互作用。当电子注的运动速度与微波相速(等相位面的传播速度)同步时，这种互作用就会发生；当电子注的运动速度略大于微波的相速时，互作用的结果是电子注的动能部分转化为微波能量，从而使电子注的速度减小而微波能量得到放大即微波信号得到正的增益。

耦合腔多注行波管慢波系统的功能示意图如图1所示；包含驱动段(也称激励段)和输出段，在两段之间用吸收器隔开。吸收器的作用是吸收反向传输的功率，从而消除返波振荡使管子能够稳定工作。一般当管子的增益在30dB以下时，驱动段仅仅包含输入段；当管子的增益在30dB及以上时，驱动段又分为两段，即输入段和中间段，输入段和中间段之间也用吸收器隔开，吸收器的作用也是消除返波振荡。输出段一般包含三部分即初始相速段，第一相速跳变段，第二相速跳变段。

耦合腔多注行波管在增益为30dB及以上时，会出现整个行波管的增益起伏较大的缺点。如图2为某耦合腔多注行波管的测试数据；由图中可以看出，多注行波管增益呈工作频段中间高，两边逐渐变低的趋势；增益波动近6dB，而行波管使用时增益起伏应在±1dB的范围内。增益起伏过大，行波管的应用会受到很大的限制。为克服增益起伏，目前的做法是在多注行波管慢波系统上增加均衡装置，这就导致了整个多注行波管慢波系统的长度极大的增加，从而不利于多注行波管的小型化，限制了多注行波管的生产制作与应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不需额外增加增益均衡装置就能达到增益起伏要求、小型化的大功率耦合腔多注行波管慢波系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

所述耦合腔多注行波管慢波系统，由极靴和铜环连接构成的耦合腔链、与所述耦合腔链一侧连接的输入耦合装置、与所述耦合腔链另一侧连接的输出耦合装置及设于耦合腔链中部的吸收器构成，所述极靴和铜环交替排列，在极靴和铜环中心设有多个电子注通道，在每个极靴和铜环上均设有一个耦合槽，所述极靴和铜环上的耦合槽相互错开呈180度排列；所述耦合腔链分为输入段和输出段，所述吸收器设于输入段及输出段之间；作为输入段的耦合腔链由径向尺寸不同的铜环Ⅰ、铜环Ⅱ、铜环Ⅲ与极靴Ⅰ连接的耦合腔构成；作为输出段的耦合腔链由径向尺寸不同的极靴Ⅰ、极靴Ⅱ与铜环Ⅰ连接的耦合腔构成；在所述吸收器的两侧分别设有极靴Ⅲ，位于所述吸收器一侧的极靴Ⅲ与输入段连接，位于另一侧的极靴Ⅲ与输出段连接；所述极靴Ⅲ的径向尺寸不同于所述极靴Ⅰ及极靴Ⅱ。

所述输入段由铜环Ⅰ与极靴Ⅰ连接构成八个耦合腔Ⅰ；由铜环Ⅱ与极靴Ⅰ连接构成六个耦合腔Ⅱ；由铜环Ⅲ与极靴Ⅰ连接构成两个耦合腔Ⅲ。

所述输入段由铜环Ⅰ与极靴Ⅰ连接构成的八个耦合腔Ⅰ作为低频输入端，由铜环Ⅱ与极靴Ⅰ连接构成的六个耦合腔Ⅱ及由铜环Ⅲ与极靴Ⅰ连接构成的两个耦合腔Ⅲ作为高频输入端。

所述输出段由极靴Ⅰ与铜环Ⅰ连接构成十六个耦合腔Ⅳ，由极靴Ⅱ与铜环Ⅰ连接构成六个耦合腔Ⅴ。

所述输出段由极靴Ⅰ与铜环Ⅰ连接的十六个耦合腔Ⅳ构成初始相速跳变段；由极靴Ⅱ与铜环Ⅰ连接的六个耦合腔Ⅴ构成第一相速跳变段。

所述铜环Ⅲ及极靴Ⅲ的径向尺寸由多注耦合腔行波管慢波系统的电压驻波比决定。

本发明的优点在于：所述的耦合器多注行波管慢波系统仅采用两段式结构，这样就比三段式结构长度小；通过结构上的设计，在输入段的后半部分，对慢波系统工作带宽内的高频部分做较多的补偿，同时使得低频输入端的抗饱和能力获得良好的增强；在输出段的后半部分，使得因互作用减速的电子和慢波再同步，提高多注行波管的工作效率，同时减小其增益起伏。本发明通过结构上的改进，能够不使用增益均衡装置，就使得所述耦合腔多注行波管增益起伏小，有利于实现行波管的小型化。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为传统耦合腔慢波系统功能示意图；

图2为某Ku波段耦合腔多注行波管频率增益图；

图3为所述耦合腔多注行波管慢波系统示意图；

图4为铜环Ⅰ、铜环Ⅱ及铜环Ⅲ的结构示意图；

图5为极靴Ⅰ、极靴Ⅱ及极靴Ⅲ的结构示意图；

图6为所述耦合腔多注行波管慢波结构输入端由铜环Ⅰ与极靴Ⅰ连接构成的八个耦合腔Ⅰ的色散示意图；

图7为所述耦合腔多注行波管慢波结构输入端由铜环Ⅱ与极靴Ⅰ连接构成的六个耦合腔Ⅱ及由铜环Ⅲ与极靴Ⅰ连接构成的两个耦合腔Ⅲ的色散示意图；

图8为所述耦合腔多注行波管慢波结构输出端由极靴Ⅱ与铜环Ⅰ连接的六个耦合腔Ⅴ的色散示意图；

上述图中的标记均为：

1、吸收器，2、输入耦合装置，3、极靴Ⅰ，4、极靴Ⅱ，5、极靴Ⅲ，6、铜环Ⅰ，7、铜环Ⅱ，8、铜环Ⅲ，9、输出耦合装置，10、电子注通道，11、耦合槽。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图3、图4及图5所示，所述耦合腔多注行波管慢波系统，由极靴和铜环连接构成的耦合腔链、与所述耦合腔链一侧连接的输入耦合装置2、与所述耦合腔链另一侧连接的输出耦合装置9及设于耦合腔链中部的吸收器1构成，所述极靴和铜环交替排列，在极靴和铜环中心开有多个电子注通道10，在每个极靴和铜环上均设有一个耦合槽11，所述极靴和铜环上的耦合槽11相互错开呈180度排列，所述耦合腔链分为输入段和输出段，所述吸收器1设于输入段及输出段之间；作为输入段的耦合腔链由径向尺寸不同的铜环Ⅰ6、铜环Ⅱ7、铜环Ⅲ8与极靴Ⅰ3连接的耦合腔构成；作为输出段的耦合腔链由径向尺寸不同的极靴Ⅰ3、极靴Ⅱ4与铜环Ⅰ6连接的耦合腔构成；在所述吸收器1的两侧分别设有极靴Ⅲ5，位于所述吸收器1一侧的极靴Ⅲ5与输入段连接，位于另一侧的极靴Ⅲ5与输出段连接；所述极靴Ⅲ5的径向尺寸不同于所述极靴Ⅰ3及极靴Ⅱ4。

所述铜环Ⅲ8及极靴Ⅲ5是为所述耦合腔多注行波管慢波系统能获得所需的电压驻波比而设计的；所述耦合腔多注行波管慢波系统的电压驻波比可通过调整所述铜环Ⅲ8及极靴Ⅲ5的径向尺寸来获得，故所述铜环Ⅲ8及极靴Ⅲ5的径向尺寸由多注耦合腔行波管慢波系统的电压驻波比决定。

所述输入段由铜环Ⅰ6与极靴Ⅰ3连接构成八个耦合腔Ⅰ；由铜环Ⅱ7与极靴Ⅰ3连接构成六个耦合腔Ⅱ；由铜环Ⅲ8与极靴Ⅰ3连接构成两个耦合腔Ⅲ。

所述输入段由铜环Ⅰ6与极靴Ⅰ3连接构成的八个耦合腔Ⅰ作为低频输入端，由铜环Ⅱ7与极靴Ⅰ3连接构成的六个耦合腔Ⅱ及其由铜环Ⅲ8与极靴Ⅰ3连接构成的两个耦合腔Ⅲ作为高频输入端。

输入段由十六个耦合腔构成，其中由铜环Ⅰ6与极靴Ⅰ3连接构成的八个耦合腔Ⅰ，其色散特性如图6所示；由铜环Ⅱ7与极靴Ⅰ3连接构成的六个耦合腔Ⅱ及由铜环Ⅲ8与极靴Ⅰ3连接构成的两个耦合腔Ⅲ，其色散特性如图7所示。

其中铜环Ⅲ8是为了在工作频带内获得所需的电压驻波比而设计的，在实际装配调试时，需要通过挑选不同尺寸的铜环Ⅲ8而获得所需的驻波比。由图7所示的色散结构图，由铜环Ⅱ7与极靴Ⅰ3连接构成六个耦合腔Ⅱ及其由铜环Ⅲ8与极靴Ⅰ3连接构成的两个耦合腔Ⅲ的同步工作点更加的靠近高频端，而远离低频端，因此在这八个耦合腔里高频端会获得较多的调制，而低频端不会获得调制，但是这八个耦合腔对低频端来说相当于一个大的阻尼器，即使微波输入信号出现较大的变化，低频端因为此阻尼器的作用，增益不会发送改变，也即是低频端获得了良好的抗饱和能力。

所述输出段由极靴Ⅰ3与铜环Ⅰ6连接构成十六个耦合腔Ⅳ、由极靴Ⅱ7与铜环Ⅰ6连接构成六个耦合腔Ⅴ。

所述输出段由极靴Ⅰ3与铜环Ⅰ6连接的十六个耦合腔Ⅳ构成初始相速跳变段；由极靴Ⅱ7与铜环Ⅰ6连接的六个耦合腔Ⅴ构成第一相速跳变段。

输出段共二十二个耦合腔，其中由极靴Ⅰ3与铜环Ⅰ6连接的十六个耦合腔Ⅳ与输入端的前八个耦合腔相同，其色散特性如图6所示。输出端由极靴Ⅱ4与铜环Ⅰ6连接构成六个耦合腔Ⅴ，其色散特性如图8所示。从图8中可见，为了使得电子注的速度与慢波的相速再同步，将微波的相速在后6个腔体里减小了5％，这六个耦合腔Ⅴ就是输出部分的相速渐变段。这样是要提高慢波系统的电子注及微波的互作用效率。

在传统的耦合腔慢波系统的设计中，一般在输出段的后半部分做两个相速渐变段，虽然可以进一步的提高效率，但是会导致行波管工作带宽内增益起伏加大，因此在本发明所述的多注耦合腔慢波系统中只采用了一段相速渐变段，第一可以减小慢波系统的带内增益起伏，第二可以减小慢波系统的长度。在吸收器1两边的极靴Ⅲ5是为了在带内得到所需的驻波比而设计的，在实际装配调试过程中要通过挑选零件尺寸得到所需要的驻波比。

按以上结构制作某型号耦合腔多注行波管的慢波系统，长度为75.2mm，在1000MHz的带宽内获得了420W的功率输出，带内增益起伏为±0.8dB，整管的效率为23.5％。而未进行小型化设计之前该管的慢波系统的长度为101.5mm，在800MHz的带宽内获得了430W的功率输出，带内增益起伏为±3dB，整管效率为23.9％。由此可见，本发明可以实现宽带行波管小型化的目的。

铜环Ⅰ6、铜环Ⅱ7、铜环Ⅲ8及极靴Ⅰ3、极靴Ⅱ4、极靴Ⅲ5的具体径向尺寸的选择应该保证其色散曲线满足图6～图8。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种耦合腔多注行波管慢波系统，由极靴和铜环连接构成的耦合腔链、与所述耦合腔链一侧连接的输入耦合装置（2）、与所述耦合腔链另一侧连接的输出耦合装置（9）及设于耦合腔链中部的吸收器（1）构成，所述极靴和铜环交替排列，在极靴和铜环中心设有多个电子注通道（10），在每个极靴和铜环上均设有一个耦合槽（11），所述极靴和铜环上的耦合槽（11）相互错开呈180度排列，其特征在于：所述耦合腔链分为输入段和输出段，所述吸收器（1）设于输入段及输出段之间；作为输入段的耦合腔链由径向尺寸不同的铜环Ⅰ（6）、铜环Ⅱ（7）、铜环Ⅲ（8）与极靴Ⅰ（3）连接的耦合腔构成；作为输出段的耦合腔链由径向尺寸不同的极靴Ⅰ（3）、极靴Ⅱ（4）与铜环Ⅰ（6）连接的耦合腔构成；在所述吸收器（1）的两侧分别设有极靴Ⅲ（5），位于所述吸收器（1）一侧的极靴Ⅲ（5）与输入段连接，位于另一侧的极靴Ⅲ（5）与输出段连接；所述极靴Ⅲ（5）的径向尺寸不同于所述极靴Ⅰ（3）及极靴Ⅱ（4）。

2.按照权利要求1所述的耦合腔多注行波管慢波结构，其特征在于：所述输出段由极靴Ⅰ（3）与铜环Ⅰ（6）连接构成十六个耦合腔Ⅳ、由极靴Ⅱ（4）与铜环Ⅰ（6）连接构成六个耦合腔Ⅴ；所述输出段由极靴Ⅰ（3）与铜环Ⅰ（6）连接的十六个耦合腔Ⅳ构成初始相速跳变段；由极靴Ⅱ（4）与铜环Ⅰ（6）连接的六个耦合腔Ⅴ构成第一相速跳变段。

3.按照权利要求2所述的耦合腔多注行波管慢波结构，其特征在于：所述铜环Ⅲ（8）及极靴Ⅲ（5）的径向尺寸由多注耦合腔行波管慢波系统的电压驻波比决定。

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