CN102509686A - 回旋行波管用宽带多波导输出装置 - Google Patents

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Abstract

该发明属于回旋行波管用宽带多波导输出装置，包括带输入、输出口的圆形波导，顺轴向间隔设于圆形波导壳体上、且带微波输出口的长条形矩形波导，顺轴向设于圆形波导与矩形波导之间各孔的轴向长相等、各孔之间的中心距亦相等的矩形耦合孔，各组矩形耦合孔两端前4个孔的宽度由窄到宽的梯级设置、中间各孔的宽度均与两端第4个孔的宽度相等，且在各矩形波导内腔前端面与圆波导交界处还设有一斜形耦合面。该多波导输出装置具有可充分满足毫米波波段具有高功率，高增益和宽频带的回旋行波管配套用的要求，以及为降压收集极的优化设计提供基础参数等特点；克服了背景技术带宽很窄、因而难以与宽带回旋行波管配套使用等弊病。

Description

回旋行波管用宽带多波导输出装置
技术领域
本发明涉及一种真空元器件中的微波输出装置，特别是一种回旋行波管用宽带横向输出的宽带多波导输出装置。
背景技术
传统微波管如磁控管、行波管和返波管等向毫米波段扩展时将会遇到严重的困难，而且功率输出急剧下降。因此寻求基于新原理的毫米波、亚毫米波器件一直是人们努力的目标，由此产生了一系列不同于传统微波管的新型器件，例如回旋管等。由于回旋管中的回旋行波管在毫米波波段具有高功率，高增益和宽频带的卓越性能，因而得到了迅速发展。
为了提高回旋行波管输出功率和带宽，一系列的输出装置被设计出来。轴向输出结构由于其结构简单，在回旋器件、特别是在回旋行波管中较为常用。但是为了避免电磁波对电子注再加速、导致微波能的损耗，以及采用降压收集极来提高整管效率，则需要增加横向输出结构。现有的高效回旋管基本上都采取准光横向输出结构；其基本原理是把输出的高功率微波、经输出孔和镜面系统转换后通过高斯波束输出。但是，目前准光输出装置的带宽较窄，仅适合单频点工作的回旋振荡管，而不能用于宽带回旋行波管。在公开号为CN101562268A、发明名称为《一种用于回旋放大器的多波导输出结构》的专利文献所公开的带横向输出装置，包括由内圆柱形腔体和同轴心设置的外圆环形腔体，内、外腔体之间通过环形公共壁分隔组成复合腔、在公共壁上环形间隔设有多个矩形耦合孔，并在正对耦合孔的外圆环腔的壳体上还分别设有一输出波导，而在内圆柱腔体的上、下端面上绕轴线分别设有小、大两个圆筒形波导；该多波导输出结构通过大小两个圆波导、内开放式圆柱腔及外圆环腔之间的谐振，将电磁波从沿轴向传输方向耦合到横向波导中输出，以避免电磁波对电子注的再加速，但是由于其谐振结构所限、采用该耦合方式的带宽很窄，因而不能与宽带回旋行波管配套使用。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的弊病，研究设计一种回旋行波管用宽带多波导输出装置，使回旋行波管圆波导中的微波经其横向宽带矩形波导输出，以达有效提高宽带回旋行波管用多波导输出装置的带宽，充分满足毫米波波段具有高功率，高增益和宽频带的回旋行波管配套用，以及为降压收集极的优化设计提供基础参数等目的。
本发明的解决方案是采用顺轴向行波耦合，即在与回旋行波管相同内径的圆波导的壳体上、根据极化模式顺轴向设置一组宽带矩形横向输出波导，并在各横向输出波导内顺轴向设置一组微波耦合输出孔，各组耦合孔两端的前4个孔的宽度采取由窄到宽的梯级式设置、其宽度系数分别由切比雪夫多项式的前四项决定，以将回旋行波管圆波导中的微波经其横向矩形波导输出，以避免电磁波对电子注的再加速对回旋行波管输出功率的影响，同时在各矩形波导内腔前端面与圆波导交界处还设有一耦合面、以确保横向输出的模式与圆波导耦合孔输入的模式的一致性；本发明即以此实现其发明目的。因此，本发明回旋行波管用宽带多波导输出装置，包括带输入、输出口的圆形波导，设有微波输出口的矩形波导、以及设于圆形波导与矩形波导之间的矩形耦合孔，关键在于矩形波导为一组顺轴向间隔设于圆形波导壳体上的长条形矩形波导、其上的微波输出口位于该矩形波导的尾端，而设于圆形波导与矩形波导之间的矩形耦合孔组则为顺轴向设置的、各孔的轴向长相等、各孔之间的中心距亦相等的矩形耦合孔，各组耦合孔两端前4个孔的宽度采取由窄到宽的梯级设置、而中间各孔的宽度均与两端第4个孔的宽度相等；各矩形波导等间隔顺轴向紧固于圆形波导的壳体上，各组耦合孔亦分别设于相应的矩形波导与圆形波导之间的圆形波导壳体上。
上述矩形波导为一组顺轴向间隔设于圆形波导壳体上的长条形矩形波导，其长条形矩形波导数为2-8个。
所述各孔的轴向长相等、各孔之间的中心距亦相等的矩形耦合孔；各孔之间的中心距(l)由：
l＝π/β
决定，其中β为圆波导传播常数；而各矩形耦合孔的轴向长(b)为：
Figure BDA0000124958690000021
所述各组耦合孔两端前4个孔的宽度采取由窄到宽的梯级式设置，前4个孔的宽度以两端第一个孔的宽度为准(基数)、其各孔的宽度系数分别由切比雪夫多项式的前四项决定、即由：
T0＝1、T1(x)＝x、T2(x)＝2x2-1及T3(x)＝4x3-3x
依次决定各组耦合孔两端前的第1、2、3、4孔的宽度系数；其中：1＜x＜3。
而所述各组耦合孔两端的前4个孔的宽度以两端第一个孔的宽度为准(基数)，两端第一个孔的宽度a1：当模式电场TEmn中的角向变化次数m为0时a1由
Figure BDA0000124958690000022
决定；当模式电场TEmn中的角向变化次数m＝1-10时a1由
Figure BDA0000124958690000023
决定；其中：r为圆波导的半径、n是电场的径向变化次数，m、n均为整数。所述各组耦合孔两端的前4个孔的宽度以两端第一个孔的宽度为准(基数)，其两端第一个矩形孔的宽度范围为0.05-2.78mm。
为了确保横向输出的模式与圆波导耦合孔输入的模式的一致性，在各矩形波导内腔前端面与圆波导交界处还设有一斜形耦合面、其斜面沿轴线方向的长度为中心频率波长的一半。
本发明具有结构紧凑、材料为无氧铜，工作时回旋行波管圆波导中的微波经其横向宽带矩形波导输出；本发明与中心频率为30GHz的大回旋二次谐波回旋行波管配套使用时，在-0.2dB带宽时大于6GHz(20％)、带内反射参数小于-28dB，且各矩形波导的输出功率曲线基本一致(即各输出功率曲线基本重合)；工作频率从26GHz到31GHz、总功率输出参数S21从-0.24dB到-0.025dB，S21参数变化很细微；从26.5GHz到32GHz总功率输出参数S21大于-0.2dB；从26.7GHz到30.1GHz，总功率输出参数S21大于-0.1dB；其总功率输出参数完全满足回旋行波管带宽要求；圆形波导输入端口的反射系数小于-28dB；圆波导输入、输出两个端口的传输参数S21在26GHz到32GHz范围内小于-16dB、-25dB以下带宽为3GHz，其横向输出结构模式转换效率极高从而有效提高了宽带回旋行波管用多波导输出装置的带宽；本发明多波导输出装置具有可充分满足毫米波波段具有高功率，高增益和宽频带的回旋行波管配套用的要求，以及为降压收集极的优化设计提供基础参数等特点；克服了背景技术带宽很窄、因而难以与宽带回旋行波管配套使用等弊病。
附图说明
图1为本发明结构及具体实施方式示意图(剖视图)；
图2为A-A剖视图(圆波导、耦合孔及矩形波导横截面相互位置关系示意图)；
图3为B-B剖视图(圆波导与矩形波导横截面剖视图)；
图4为本发明具体实施方式四个矩形波导总输出功率坐标曲线图；
图5为本发明具体实施方式圆波导输入端口的反射参数S11坐标曲线图；
图6为本发明具体实施方式圆波导输入、输出两个端口之间的传输参数S21坐标曲线图；
图中：1.矩形波导、1-1.矩形输出波导、1-2.耦合面，2.圆形波导、2-1.耦合孔组、2-2.(输入、输出)连接头。
具体实施方式
下面就以与输入的中心频率为30GHz(中心频率波长为8mm)、TE21模式(即m＝2)的大回旋二次谐波回旋行波管配套用多波导输出装置为例，附图1即为该输出装置的结构示意图，整个输出装置均采用无氧铜制作；其中：
圆形波导2的直径是Ф14.2mm、长210mm，其上顺轴向共设四组矩形耦合孔、各耦合孔组2-1均分别设24个矩形耦合孔，各矩形耦合孔组2-1间隔90°设置，各耦合孔组2-1两端的第一个矩形的宽度a1本实施方式均为0.95mm，第2、3、4孔的宽度在a1的基础上其宽度系数分别由切比雪夫多项式的第2、3、及第4项决定，本实施方式取x＝1.68，第2、3、4孔的宽度分别为：a2 1.68mm、a3 2.74mm、a4 3mm，其余中间各孔的宽度均为3mm，各矩形孔的轴向长b亦均为3mm、相邻两个矩形孔的中心距l为3.9mm(即相邻两孔的间距为0.9mm)；本实施方式共设4个矩形波导1，各矩形波导1的横截面积为(宽×高)3.556×7.305mm、长110mm，矩形输出波导1-1的横截面积亦为(宽×轴向长)3.556×7.305mm、高50mm，耦合面1-2与轴线的倾角为45°、斜面长4mm；各矩形波导1与圆形波导2对应焊接成一体；本实施方式所述多波导输出装置通过设于两端的(输入、输出)连接头2-2密封紧固串接于回旋行波管管体中段使用。
本实施方式仿真运行中：图4为4个矩形波导1的输出总功率曲线图；图中：工作频率从26GHz到31GHz、总功率输出参数S21从-0.24dB到-0.025dB，S21参数变化很细微；从26.5GHz到32GHz总功率输出参数S21大于-0.2dB；从26.7GHz到30.1GHz，总功率输出参数S21大于-0.1dB；其总功率输出参数完全满足回旋行波管带宽要求；
图5为圆形波导2输入端口的反射参数S11曲线图，图中：从26GHz到32GHz、反射系数小于-28dB，反射波不会影响回旋行波管的驻波互作用；
图6为圆波导2输入、输出两个端口的传输参数S21，图中：在26GHz到32GHz范围内传输参数小于-16dB；-25dB以下带宽为3GHz，其横向输出结构模式转换效率极高。

Claims (7)

1.一种回旋行波管用宽带多波导输出装置，包括带输入、输出口的圆形波导，设有微波输出口的矩形波导、以及设于圆形波导与矩形波导之间的矩形耦合孔，其特征在于矩形波导为一组顺轴向间隔设于圆形波导壳体上的长条形矩形波导、其上的微波输出口位于该矩形波导的尾端，而设于圆形波导与矩形波导之间的矩形耦合孔组则为顺轴向设置的、各孔之间的中心距相等、各孔的轴向长亦相等的矩形耦合孔，各组耦合孔两端前4个孔的宽度采取由窄到宽的梯级设置、而中间各孔的宽度均与两端第4个孔的宽度相等；各矩形波导等间隔顺轴向紧固于圆形波导的壳体上，各组耦合孔亦分别设于相应的矩形波导与圆形波导之间的圆形波导壳体上。
2.按权利要求1所述回旋行波管用宽带多波导输出装置，其特征在于所述长条形矩形波导数为2-8个。
3.按权利要求1所述回旋行波管用宽带多波导输出装置，其特征在于所述各矩形耦合孔之间的中心距l由：
l＝π/β
决定，其中β为圆波导传播常数；而各矩形耦合孔的轴向长b为：
Figure FDA0000124958680000011
4.按权利要求1所述回旋行波管用宽带多波导输出装置，其特征在于在各矩形波导内腔前端面与圆波导交界处所设斜形耦合面、其斜面沿轴线方向的长度为中心频率波长的一半。
5.按权利要求1所述回旋行波管用宽带多波导输出装置，其特征在于所述各组耦合孔两端前4个孔的宽度以两端第一个孔的宽度为准、其各孔的宽度系数分别由切比雪夫多项式的前四项决定、即由：
T0＝1、T1(x)＝x、T2(x)＝2x2-1及T3(x)＝4x3-3x
依次决定各组耦合孔两端前的第1、2、3、4孔的宽度系数；其中：1＜x＜3。
6.按权利要求4所述回旋行波管用宽带多波导输出装置，其特征在于所述各组耦合孔两端前4个孔的宽度以两端第一个孔的宽度为准，两端第一个孔的宽度a1：当模式电场TEmn中的角向变化次数m为0时a1由
Figure FDA0000124958680000012
决定；当模式电场TEmn中的角向变化次数m＝1-10时a1由
Figure FDA0000124958680000013
决定；其中：r为圆波导的半径、n是电场的径向变化次数，m、n均为整数。
7.按权利要求4或许所述回旋行波管用宽带多波导输出装置，其特征在于所述各组耦合孔两端的前4个孔的宽度以两端第一个孔的宽度为准，两端第一个矩形孔的宽度范围为0.05-2.78mm。
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