CN102315063B - 一种宽带相移行波管的输入输出结构 - Google Patents

一种宽带相移行波管的输入输出结构 Download PDF

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Abstract

一种宽带相移行波管的输入输出结构，属于真空电子技术领域。包括六部分波导型元件：第一双脊加载矩形波导、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导、第二双脊加载矩形波导、双脊渐变的双脊加载矩形波导、第一矩形波导和第二矩形波导；第一双脊加载矩形波导和第二双脊加载矩形波导分别连接于呈90度弯曲的双脊加载矩形波导的两端，双脊渐变的双脊加载矩形波导连接于第二双脊加载矩形波导和第一矩形波导之间；第二矩形波导连接于呈90度弯曲的双脊加载矩形波导的外侧曲面窗口处，其中心轴线与第一矩形波导的中心轴线重合。本发明能够将宽带微波信号能量与带状电子注很好地引入和导出正弦波导慢波结构，结构简单、易于加工实现。

Description

一种宽带相移行波管的输入输出结构
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，特别涉及太赫兹相移行波管的输入输出结构。
背景技术
太赫兹波段的电磁频谱开发应用是当今科学技术发展的趋势，其中宽带太赫兹功率源是关键技术。行波管具有大功率、高效率、高增益、宽频带和长寿命等特点，在实现宽带大功率太赫兹源上具有很大潜力。然而在100GHz以上的太赫兹波段，传统的行波管由于高频损耗大、反射强，无法满足宽带大功率太赫兹源的要求。相移行波管的工作原理由美国学者于2008年首次发表，并指出其能够实现宽带的、大功率的太赫兹辐射源。为此，我们于2010年提出了具有低损耗和弱反射的正弦波导慢波结构(如图1所示，具体发明名称为“一种起伏状波导慢波结构”，申请号201010585458.x)，并将其应用于220GHz太赫兹相移行波管的设计。研究显示该相移行波管具有50GHz的瞬时带宽和100W以上的输出功率，最高输出功率为300W。这为宽带太赫兹功率源提供了新方案。
目前，关于正弦波导相移行波管仍处于理论研究阶段。由于没有合适的输入输出结构，导致无法进行正弦波导慢波系统的实验研究。该输入输出结构的设计困难在于：一、相移行波管慢波结构的横截面为矩形，带状电子注与慢电磁波共用一个通道；二、慢波结构的工作带宽很宽，现有的各种耦合装置均无法满足其带宽要求。因此，为了能够将正弦波导相移行波管实用化并发挥其潜力，急需一种宽带的且能够将带状电子注和微波信号汇合与分离的输入输出结构。
发明内容
为了实现将宽带微波信号能量与带状电子注很好地引入和导出正弦波导慢波结构，本发明提出了一种宽带相移行波管的输入输出结构。
本发明所采用的技术方案是：
一种宽带相移行波管的输入输出结构，如图2所示，包括六部分波导型元件：第一双脊加载矩形波导1、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2、第二双脊加载矩形波导3、双脊渐变的双脊加载矩形波导4、第一矩形波导5和第二矩形波导6；
第一双脊加载矩形波导1、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2、第二双脊加载矩形波导3、双脊渐变的双脊加载矩形波导4和第一矩形波导5的宽边尺寸和窄边尺寸一致，标记为宽边尺寸a、窄边尺寸b；第一双脊加载矩形波导1、第二双脊加载矩形波导3、双脊渐变的双脊加载矩形波导4和第一矩形波导5的长度分别标记为L1、L3、L4和L5；呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2的转弯半径不小于宽边尺寸a；第一双脊加载矩形波导1、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2和第二双脊加载矩形波导3所加载的双脊形状一致，标记为脊高度(b-2d)/2、脊宽度w；双脊渐变的双脊加载矩形波导4所加载的双脊形状一致，脊宽度为w、脊高度由(b-2d)/2渐变至0；第二矩形波导6长度为Lg、宽边尺寸为ag、窄边尺寸为bg，且ag＜a、bg＜b；
第一双脊加载矩形波导1和第二双脊加载矩形波导3分别连接于呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2的两端，双脊渐变的双脊加载矩形波导4连接于第二双脊加载矩形波导3和第一矩形波导5之间；双脊渐变的双脊加载矩形波导4与第二双脊加载矩形波导3连接处的脊高度为(b-2d)/2，与第一矩形波导5连接处的脊高度为0；第二矩形波导6用于传输电子注，连接于呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2的外侧曲面处，其中心轴线与第一矩形波导5的中心轴线重合；第二矩形波导6与呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2相连接的部分的形状与呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2的外侧曲面相匹配；呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2与第二矩形波导6相连接的外侧曲面开有窗口，便于电子注通过。
上述技术方案中，所述第二双脊加载矩形波导3的长度L3大于等于零；所述双脊渐变的双脊加载矩形波导4的双脊高度可以呈线性、抛物线型、双曲线型或多项式阶梯型渐变。
本领域普通技术人员应当知道，本发明提供的宽带相移行波管的输入输出结构的各个部件可采用金属材料独立加工成型后，然后采用螺钉固定连接；由于本发明提供的宽带相移行波管的输入输出结构具有对称性，也可采用两块金属材料分别加工成型后，然后合在一起。
本发明的工作原理可以描述为：
在正弦波导慢波结构两端分别连接一个本发明提供的宽带相移行波管的输入输出结构(具体连接时，本发明提供的输入输出结构中的第一矩形波导5与正弦波导慢波结构端口相连)，一起构成相移行波管的高频系统。高频信号从输入结构的双脊加载矩形波导1馈入，与从用于传输电子注的矩形波导6注入的带状电子注经过输入结构的汇合进入慢波结构中进行注-波互作用，实现高频信号的功率放大；被放大了的信号从输出结构的双脊加载矩形波导1输出，同时作用完了的电子注从用于传输电子注的矩形波导6离开，实现了电子注和电磁波的分离。
本发明的有益效果是：
(1)结构非常简单，主要由双脊加载矩形波导构成，易于加工实现。
(2)双脊加载矩形波导具有很宽的带宽，由它构成的输入输出结构也将具有宽带特性。
(3)双脊的使用，使结构中的场主要集中在脊间距区域。因此电子注通道的引入对反射的影响被急剧降低，从而达到成功分离电子注和电磁波的目的。
(4)适合于带状电子注工作，可提高器件工作电流，增大器件输出功率。
(5)结构中的双脊加载矩形波导1，具有易与现有的各种标准导波装置连接等特点。
附图说明
图1是正弦波导慢波结构的结构示意图。
图2是本发明提供的一种宽带相移行波管输入输出结构的结构示意图。
图3是本发明提供的一种宽带相移行波管输入输出结构的散射参数仿真测试曲线。
具体实施方式
一种宽带相移行波管的输入输出结构，如图2所示，包括六部分波导型元件：第一双脊加载矩形波导1、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2、第二双脊加载矩形波导3、双脊渐变的双脊加载矩形波导4、第一矩形波导5和第二矩形波导6；
第一双脊加载矩形波导1、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2、第二双脊加载矩形波导3、双脊渐变的双脊加载矩形波导4和第一矩形波导5的宽边尺寸和窄边尺寸一致，标记为宽边尺寸a、窄边尺寸b；第一双脊加载矩形波导1、第二双脊加载矩形波导3、双脊渐变的双脊加载矩形波导4和第一矩形波导5的长度分别标记为L1、L3、L4和L5；呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2的转弯半径不小于宽边尺寸a；第一双脊加载矩形波导1、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2和第二双脊加载矩形波导3所加载的双脊形状一致，标记为脊高度(b-2d)/2、脊宽度w；双脊渐变的双脊加载矩形波导4所加载的双脊形状一致，脊宽度为w、脊高度由(b-2d)/2渐变至0；第二矩形波导6长度为Lg、宽边尺寸为ag、窄边尺寸为bg，且ag＜a、bg＜b；
第一双脊加载矩形波导1和第二双脊加载矩形波导3分别连接于呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2的两端，双脊渐变的双脊加载矩形波导4连接于第二双脊加载矩形波导3和第一矩形波导5之间；双脊渐变的双脊加载矩形波导4与第二双脊加载矩形波导3连接处的脊高度为(b-2d)/2，与第一矩形波导5连接处的脊高度为0；第二矩形波导6用于传输电子注，连接于呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2的外侧曲面处，其中心轴线与第一矩形波导5的中心轴线重合；第二矩形波导6与呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2相连接的部分的形状与呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2的外侧曲面相匹配；呈90度弯曲的双脊加载矩形波导2与第二矩形波导6相连接的外侧曲面开有窗口，便于电子注通过。
上述技术方案中，以220GHz为例，所述输入输出结构各部件尺寸为：双脊加载矩形波导1的横截面为标准的WR-4的尺寸，即宽边a为1.092毫米，窄边b为0.546毫米，加载脊之间的距离2d为0.286毫米，脊宽度w为0.25毫米；用于传输电子注的矩形波导6的宽边ag为0.5毫米，窄边bg为0.15毫米，各段长度L1、Lg、L3、L4、L5分别为5、2、1、3.4、1.6毫米。
利用三维电磁仿真软件CST MWS 2009对上述输入输出结构进行仿真，获得散射参数曲线，仿真结果如图3所示。从图3中可知：在170～260GHz标准频段内，高频信号的传输参数7均大于-1dB，反射参数8均小于-20dB，说明具有良好的微波传输特性；电子注通道的传输参数9均小于-30dB，说明具有良好的隔离度。

Claims (3)

1.一种宽带相移行波管的输入输出结构，包括六部分波导型元件：第一双脊加载矩形波导(1)、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导(2)、第二双脊加载矩形波导(3)、双脊渐变的双脊加载矩形波导(4)、第一矩形波导(5)和第二矩形波导(6)；
第一双脊加载矩形波导(1)、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导(2)、第二双脊加载矩形波导(3)、双脊渐变的双脊加载矩形波导(4)和第一矩形波导(5)的宽边尺寸和窄边尺寸一致，标记为宽边尺寸a、窄边尺寸b；第一双脊加载矩形波导(1)、第二双脊加载矩形波导(3)、双脊渐变的双脊加载矩形波导(4)和第一矩形波导(5)的长度分别标记为L1、L3、L4和L5；呈90度弯曲的双脊加载矩形波导(2)的转弯半径不小于宽边尺寸a；第一双脊加载矩形波导(1)、呈90度弯曲的双脊加载矩形波导(2)和第二双脊加载矩形波导(3)所加载的双脊形状一致，标记为脊高度(b-2d)/2、脊宽度w；双脊渐变的双脊加载矩形波导(4)所加载的双脊形状一致，脊宽度为w、脊高度由(b-2d)/2渐变至0；第二矩形波导(6)长度为Lg、宽边尺寸为ag、窄边尺寸为bg，且ag＜a、bg＜b；
第一双脊加载矩形波导(1)和第二双脊加载矩形波导(3)分别连接于呈90度弯曲的双脊加载矩形波导(2)的两端，双脊渐变的双脊加载矩形波导(4)连接于第二双脊加载矩形波导(3)和第一矩形波导(5)之间；双脊渐变的双脊加载矩形波导(4)与第二双脊加载矩形波导(3)连接处的脊高度为(b-2d)/2，与第一矩形波导(5)连接处的脊高度为0；第二矩形波导(6)用于传输电子注，连接于呈90度弯曲的双脊加载矩形波导(2)的外侧曲面处，其中心轴线与第一矩形波导(5)的中心轴线重合；第二矩形波导(6)与呈90度弯曲的双脊加载矩形波导(2)相连接的部分的形状与呈90度弯曲的双脊加载矩形波导(2)的外侧曲面相匹配；呈90度弯曲的双脊加载矩形波导(2)与第二矩形波导(6)相连接的外侧曲面开有窗口，便于电子注通过。
2.根据权利要求1所述的一种宽带相移行波管的输入输出结构，其特征在于，所述第二双脊加载矩形波导(3)的长度L3大于等于零。
3.根据权利要求1所述的一种宽带相移行波的管输入输出结构，其特征在于，所述双脊间距渐变的双脊加载矩形波导(4)的双脊高度呈线性、抛物线型、双曲线型或多项式阶梯型渐变。
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