CN104051205B - 回旋行波管耦合输入结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种回旋行波管耦合输入结构，用于解决传统结构插入损耗大的问题，该结构包括圆波导及垂直加载于圆波导的矩形波导，所述圆波导的电子注输入段设置有一个以上矩形凹槽，所述矩形凹槽位于耦合输入结构的对称面上。与矩形波导的截面中心距离为(1/2+n)λ、n为正整数，其中λ为圆波导中心频点TE11模的波长；所述矩形凹槽的长、宽由对应的工作频段与耦合量决定，深度为1/8λ′～3/8λ′、其中λ′为矩形凹槽对应尺寸的矩形波导的TE10模的波长。本发明有效减小输入电磁波的插入损耗，且通过增加矩形槽的数量和调节矩形槽的结构参数，能够工作于不同需要的宽频带范围；结构简单、加工方便。
Description
技术领域
本发明属于微波真空器件领域，涉及一种用于真空回旋行波管的输入装置，具体是一种宽带低插入损耗的耦合输入装置。
背景技术
微波真空回旋放大器件是利用真空中的运动电子所携带的动能去放大微波能量的器件。电子枪产生电子注，电子注在高频结构中与高频场相互作用，电子动能转化成高频场能。其中回旋行波器件在毫米波段能在较宽频带实现高功率输出，使其成为高功率微波源中一种重要的相干辐射源，在雷达和通信系统中已经得到广泛的应用。其中耦合输入结构的主要作用是将低功率的驱动信号高效、稳定地输入回旋行波管放大器的主作用回路。
目前，回旋行波管多采用圆波导作为其主回路，采用TE11作为工作模式，并且工作频带靠近其主互作用回路的截止频率。因而，回旋行波管耦合输入结构主要采用矩形输入波导与圆形主波导直接垂直相连的结构，如图1所示，其中圆波导一端连接电子枪区，定义圆波导与电子枪区连接端至圆波导与矩形波导连接处之间的一段圆波导为电子注输入段，圆波导与电子枪区的连接端为始端，圆波导另一端连接高频结构；TE10模式的电磁波从矩形波导注入，经过与圆波导的连接处后转化为TE11模式在圆波导中传输，与电子驻共同进入高频结构。但是，这种垂直相连的结构只能将矩形波导输入电磁波一半能量转化为正向传输的电磁波进入高频结构与电子注互作用；与此同时，另外一半的输入能量转化成为了反向传输的能量进入电子注输入段，被电子注输入段始端加载的吸波介质吸收，导致该耦合输入结构输入电磁波插入损耗极大。插入损耗过大则需要提高前端输出功率要求，而前端一般采用固态器件或者传统行波管制成，输出功率十分有限，难以提供较高功率；若采用功率合成，其成本高昂，且合成需要控制相位，同样难以实现。因此，减小输入电磁波的插入损耗成为我们的研究核心。
发明内容
本发明的目的在于针对传统回旋行波管耦合输入结构插入损耗大的缺陷提供一种回旋行波管耦合输入结构，该结构能够在宽频带范围内有效减少输入电磁波的插入损耗。
本发明的技术方案为：回旋行波管耦合输入结构，包括圆波导及垂直加载于圆波导的矩形波导；其特征在于，所述圆波导的电子注输入段设置有一个以上矩形凹槽，所述矩形凹槽位于耦合输入结构的对称面上，与矩形波导的截面中心距离为(1/2+n)λ、n为正整数，其中λ为圆波导中心频点TE11模的波长。
进一步的，所述矩形凹槽的长、宽由对应的工作频段与耦合量决定，深度为1/8λ′～3/8λ′、其中λ′为矩形凹槽对应尺寸的矩形波导的TE10模的波长。
优选的，所述圆波导的电子注输入段始端设置有吸波介质环。
本发明提供的回旋行波管耦合输入结构中，圆波导一端连接着电子枪区，定义圆波导与电子枪区连接端至圆波导垂直加载矩形波导连接处之间的一段圆波导为电子注输入段、圆波导与电子枪区连接端为电子注输入段始端，另一端连接高频结构，用于使电子枪发射的电子注与外部输入的电磁波能顺利地进入高频结构。矩形波导垂直加载于圆波导，用于输入小信号电磁波，与圆波导连接处不但能耦合出正向传播的电磁波，也能耦合出反向传入电子注输入段的电磁波。一个以上的矩形凹槽开设于圆波导电子注输入段，根据电磁波的导播理论，当反方向传播的电磁波遇到矩形凹槽时，部分电磁波会耦合至凹槽内直至传到短路面，进而发生反射产生正向传输的电磁波；根据半波长匹配理论设定矩形凹槽在圆波导的位置、尺寸及深度，使得矩形凹槽反射处的电磁波与反向传输的电磁波相位相差180度(即二分之一波长对应的相差)，此时，两种波形叠加产生相互抵消的效果，反向传输波的能量即相应的减少并转化为正向传输波的能量，即有效的减小输入电磁波的插入损耗。同时，在电子注输入段始端设置的介质接收环能够有效吸收多余的反向传播的电磁波，防止电磁波进入电子枪区，干扰电子枪的正常工作。
需要说明的是，本发明能够通过调节矩形凹槽的参数与尺寸，方便地调节矩形凹槽产生反相位叠加相消波的频段使得该耦合输入结构能够工作于不同需要的宽频带范围。
本发明的发明效果为：本发明有效减小输入电磁波的的插入损耗，且通过增加矩形槽的数量和调节矩形槽的结构参数，能够工作于不同需要的宽频带范围；该回旋行波管耦合输入结构结构简单、加工方便，适用于多个频段的微波器件，有效节约重复设计和加工成本，为产品的一致性提供保障；并且能够在传统耦合输入结构上直接改造。
附图说明
图1为传统回旋行波管耦合输入结构的三维剖视图。
图2为传统回旋行波管耦合输入结构的二维侧面剖视图；其中，1为矩形波导、2为圆波导、3为矩形波导与圆波导连接处、4为吸波介质环。
图3为本发明实施例回旋行波管耦合输入结构的三维剖视图。
图4为本发明实施例回旋行波管耦合输入结构的二维侧面剖视图；其中，1为矩形波导、2为圆波导、3为矩形波导与圆波导连接处、4为矩形开槽、5为吸波介质环。
图5为本发明实施例回旋行波管耦合输入结构的传输系数曲线。
图6为本发明其他实施方式回旋行波管耦合输入结构的二维侧面剖视图；其中，1为圆波导、2为矩形波导、3为矩形波导与圆波导连接处、4为二分之一波长矩形开槽、5为二分之三波长矩形开槽、6为吸波介质环。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。为了方便说明，在此只采用15～18GHz的单矩形开槽的模型对本发明的回旋行波管耦合输入结构进行说明，但是，本发明的保护范围不局限于此，基于本发明的其他频段；多开槽、分布式开槽以及任何熟悉该技术的人在本发明揭露的技术范围内，可以想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求书的保护范围为准。
本实施例提供的回旋行波管耦合输入结构，其结构示意图如图3、4所示，包括圆波导2及垂直加载于圆波导的矩形波导1；所述圆波导一端连接着电子枪区，定义圆波导与电子枪区连接端至圆波导垂直加载矩形波导连接处之间的一段圆波导为电子注输入段6、圆波导与电子枪区连接端为电子注输入段始端，始端设置有BeO-SiC制成的长度为4mm吸波介质环5；所述圆波导的电子注输入段6设置有一个矩形凹槽4，该矩形凹槽位于耦合输入结构的对称面上，与矩形波导的截面中心距离L1为9.37mm，为二分之一圆波导中心频点TE11模的波长；其长、宽分别为9.5mm、4mm，槽深h为4mm。圆波导和矩形波导均由纯度很高无氧铜制作而成，利用铣刀预定位置处铣出相应尺寸的矩形凹槽，矩形凹槽的长为工作频段两端点频点TE11模的波长的二分之一的差值，宽由耦合量决定。
如图5给出本实施例提供的回旋行波管耦合输入结构的S参数，由图可以看出，在15GHz-18GHz频段内输入耦合结构的插入损耗基本低于3dB，相对于常用的输入结构在中心频率附近减少了近2dB的损耗，大大降低了前期输入的要求。
本专利还有一个非常大的优势在于基于本专利的设计方案可以对大量的老输入耦合结构进行改造。由于，输入结构通常采用焊接的方式与电子枪区和高频结构相连，对于需要改造的老结构只需要将输入耦合结构部分切割下来，通过铣刀在圆波导内相应的位置铣出对应的矩形凹槽结构，然后再将改造后的结构重新与电子枪区与高频结构焊接起来，就能完成改造。此种改造不仅理论上可行，而且实际上加工简单方便，主要结构参数不会发生变化，所以不会影响整管其他零件不需要对器件进行重新设计，大大节约了设计成本简化了制作工艺。
Claims (3)
1.回旋行波管耦合输入结构，包括圆波导及垂直加载于圆波导的矩形波导；其特征在于，所述圆波导的电子注输入段设置有一个以上矩形凹槽，所述矩形凹槽位于耦合输入结构的对称面上，与矩形波导的截面中心距离为(1/2+n)λ、n为正整数，其中λ为圆波导中心频点TE11模的波长。
2.按权利要求1所述回旋行波管耦合输入结构，其特征在于，所述矩形凹槽的长、宽由对应的工作频段与耦合量决定，深度为1/8λ′～3/8λ′、其中λ′为矩形凹槽对应尺寸的矩形波导的TE10模的波长。
3.按权利要求1所述回旋行波管耦合输入结构，其特征在于，所述圆波导的电子注输入段始端设置有吸波介质环。
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