CN105845532B - 一种回旋行波管的横向输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种回旋行波管的横向输出装置，属于大功率毫米波技术中的毫米波源技术领域，具体涉及一种能直接输出高斯波束的回旋行波管横向输出装置。针对目前回旋行波管应用需要外接波导模式变换器的缺点，提出了一种新型的回旋行波管的输出装置。该输出装置包括过渡波导段、90度波导转弯段和圆波导辐射器。可以在宽频带范围内横向直接输出高纯度的高斯波束，不需要外接模式变换器和弯头等功能器件，大大降低了大功率毫米波应用系统的复杂度。

Description

一种回旋行波管的横向输出装置

技术领域

本发明属于大功率毫米波技术中的功率源技术，具体涉及了一种能直接输出高斯波束的回旋行波管横向输出装置。

背景技术

回旋行波管是一种大功率的宽带毫米波放大器，具有宽频带、高功率、高增益和高效率等特点，在通讯、雷达、精确制导和材料处理等方面有着广泛的应用市场。为了能降低器件的工作损耗以及提高注波互作用效率，回旋行波管通常采用圆波导TE_0,n模作为工作模式。较其他模式而言，TE_0,1模具有更低的传输损耗，是典型的回旋行波管输出模式。

输出装置是回旋行波管的关键组成部分，对输出功率、模式纯度以及整管效率有着巨大的影响。为了实现高功率微波的高效、平稳输出，输出装置要尽可能地抑制工作模式的终端反射。因此，输出装置通常采用半径渐张的圆波导结构，直接与收集极输入端相接，在轴向上实现能量输出。这种轴向输出的方式存在两个方面的不足：一是会导致整管的高度(即轴向长度)增加，不利于安装与摆放；另一方面是输出的波束为工作模式，不利于远距离传输和直接应用。因此，在大功率毫米波系统中，通常需要在回旋管后连接模式变换器，将回旋管的工作模式转换成适宜远距离传输或直接应用的高斯波束。在高功率输出条件下，为保证功率容量，模式变换器需采用过模波导结构。这种基于过模波导的模式变换器，存在工作频带有限、易产生寄生模式、变换长度长、插损大、需要冷却的缺点，不利于回旋行波管性能的充分发挥，大大增加了应用系统的复杂度。

为了实现注波分离、方便采用降压收集极提高整管效率；同时在输出窗口直接实现高斯波束输出，一种基于准光模式变换器的横向输出装置被广泛应用于回旋振荡管中。这种横向输出装置由带有切口的辐射器和镜面修正系统组成。虽然这种结构可以在输出窗口实现高效率的高斯波束输出，但是工作频带窄(通常为点频)，不能实现宽频带回旋管的输出。同时在公开号为CN101562268A发明名称为《一种用于回旋放大器的多波导输出装置》和公开号为CN102509686A发明名称为《回旋行波管多波导输出装置》的专利文献中所公开的横向输出装置，虽然在不同程度上实现了高功率毫米波回旋管的宽频带输出，但是输出的波束仍然为波导模式，依旧存在不方便直接应用和传输、仍需要使用模式变换器将其转换为高斯波束的问题。

发明内容

为了解决大功率回旋行波管存在的输出模式不利于直接应用和空间传输的问题，以及目前大功率毫米波传输系统难以实现宽频带、高效率、紧凑化、小型化等方面的需求问题，本发明提出了一种回旋行波管的横向输出装置。

本发明提出的一种回旋行波管的横向输出装置包括波导过渡段、90度波导转弯段、和圆波导辐射器。

所述波导过渡段将从收集极输出的波束调整到合适大小，实现与90度波导转弯段的匹配。

所述90度波导转弯段的输入口与输出口相互垂直，将纵向输入波束转变为横向输出，并将注入其中的TE₀₁模转换成中介模式TM₁₁模。

所述圆波导辐射器将中介模式TM₁₁模转换成高斯波束，并通过后接的输出窗实现对外输出。

进一步地，所述波导过渡段可以采用直线型、正弦型、切比雪夫型以及非规则曲线等常用波导过渡结构。

进一步地，所述90度波导转弯段为弯曲的圆波导，波导轴线为圆弧型、指数型、正弦型以及其他非规则曲线等方式。

进一步地，所述波导辐射器为波纹槽渐变的波纹喇叭结构，且波纹槽的深度从0渐变到λ/4，λ为波纹槽波导内的导波波长。

进一步地，所述圆波导辐射器的波纹槽为矩形型或正弦型。

进一步地，所述90度波导转弯段的输入与输出口径一致，口径2α与波长λ满足：π为圆周率。

进一步地，所述波纹喇叭结构的波纹槽周期p小于λ/2，且槽深从输入端由0开始变化，到达输出端时变化到λ/4，波纹槽深度变化过程可采用2次曲线、对称正弦曲线等。

进一步地，所述输出装置的材料为铜。

本发明可以达到以下有益效果：

(1)设计的输出装置能直接输出高斯波束，而不是TE₁₁模或TE₀₁模，有利于降低输出窗的设计难度，提高回旋管的输出效率。

(2)通过对输出装置进行设计，可控制输出高斯波束的束腰大小及位置，方便与后续高功率毫米波链路的连接。

(3)设计的输出装置能直接输出高斯波束，不需要使用外接过模波导模式变换器，不仅有利于实现大功率毫米波回旋行波管的宽频带、高效率和高功率工作，还有利于大功率毫米波应用系统的紧凑化和小型化。

(4)设计的输出装置能实现波束的横向输出，而不需要外接弯头或反射镜面来引导波束的转向，一方面可以降低传输链路的功率损耗，提高大功率毫米波传输的效率；另一方面可以减小寄生模式的引入，提高输出模式的纯度。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为输出装置的驻波特性；

图3为输出装置在频率为f＝31GHz时的输出场分布；

图4为输出装置在频率为f＝35GHz时的输出场分布；

图5为输出装置在频率为f＝37GHz时的输出场分布。

图中：1为波导过渡段、2为90度波导转弯段、3为圆波导辐射器。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做进一步详细描述。

参见图1，以Ka波段回旋行波管的横向输出装置为例。该输出装置材料为铜，属于内置型部件，整体安装在回旋管内的真空环境中，由波导过渡段、90度波导转弯段和圆波导辐射器组成。这三个部分依次连接且内腔平滑过渡。

其中波导过渡段为波导半径渐缩的圆波导，入口尺寸为17mm，出口尺寸为14.78mm；波导过渡段作为馈电输入结构，与回旋管的收集极相接，实现波束从大口径圆波导到小口径圆波导的高效过渡，达到与90度波导转弯段匹配的目的。

90度波导转弯段为圆弧形，输入与输出口径均为14.78mm，曲率半径为200mm，且输入口与输出口相互垂直；90度波导转弯段在将纵向输出的波束转换成横向输出的同时，还将圆波导TE₀₁模式转换成中介圆波导模式TM₁₁模。

圆波导辐射器为正弦槽结构的波纹喇叭，槽周期为1.7mm，槽宽为0.85mm，槽深由0逐渐渐变为2.1mm，整个波纹喇叭长度为300mm；通过优化设计喇叭的口径和内部波纹槽的形状就能调整辐射器的波束宽度、副瓣电平增益。

参见图2，在31GHz-37GHz的频率范围内，Ka波段回旋行波管的横向输出装置的反射均低于25dB。参见图3-5，在频率为31-37GHz的范围内，Ka波段回旋行波管的横向输出装置的辐射场具有良好的对称性，表明输出场分布为高斯波束。

作为大功率回旋行波管的重要组成部分，输出装置的朝向和输出的模式是决定大功率毫米波的应用的关键因素。本发明设计的回旋行波管输出装置不但能实现波束的横向输出，而且还能在宽频带内直接输出高斯波束，在实际应用中不再需要使用模式变换器、波导弯头或反射镜面等传输器件，不仅有利于提高大功率毫米波系统的效率，还有利于大功率毫米波系统的紧凑化设计。

Claims (7)

1.一种回旋行波管的横向输出装置，包括波导过渡段、90度波导转弯段、和圆波导辐射器，这三个部分依次连接且内腔平滑过渡，其特征在于：

所述波导过渡段将从收集极输出的波束的大小调整到与90度波导转弯段匹配；

所述90度波导转弯段为输入与输出口径一致的弯曲圆波导，输入口与输出口相互垂直，将纵向输入波束转变为横向输出，并将注入其中的TE₀₁模转换成中介模式TM₁₁模；

所述圆波导辐射器为波纹槽渐变且口径渐张的波纹喇叭结构，所述波纹槽周期p小于λ/2，波纹槽的深度从输入端由0渐变到输出端λ/4，λ为波纹槽波导内的导波波长；所述圆波导辐射器将中介模式TM₁₁模转换成高斯波束，并通过后接的输出窗实现对外输出。

2.如权利要求1所述的一种回旋行波管的横向输出装置，其特征在于：所述波导过渡段采用直线型、正弦型或切比雪夫型。

3.如权利要求1所述的一种回旋行波管的横向输出装置，其特征在于：所述90度波导转弯段轴线为圆弧型、指数型或正弦型。

4.如权利要求1所述的一种回旋行波管的横向输出装置，其特征在于：所述圆波导辐射器的波纹槽为矩形型或正弦型。

5.如权利要求1或3所述的一种回旋行波管的横向输出装置，其特征在于：所述90度波导转弯段的口径2α与波长λ满足：π为圆周率。

6.如权利要求1或4所述的一种回旋行波管的横向输出装置，其特征在于：所述波纹喇叭结构波纹槽深度变化过程可采用2次曲线或对称正弦曲线。

7.如权利要求1所述的一种回旋行波管的横向输出装置，其特征在于：所述输出装置的材料为铜。