CN107230607B - 一种分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统，属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域。该结构由上、下对称且侧面开放的共焦波导组成，该共焦波导镜面曲率一致，包括依次连接且镜面光滑过渡的输入均匀段、输入渐变段、互作用段、输出渐变段和输出均匀段。该结构采用镜面宽度很窄的共焦波导互作用段来切断寄生模式的返波振荡回路，同时保证互作用段足够长，以实现较高的线性增益。进一步地，通过增加输出均匀段镜面宽度来减少放大后高频场的衍射损耗，从而提高工作模式的输出功率和总效率。

Description

一种分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统
技术领域
本发明属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域，具体地说是一种分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统，可以应用在毫米波及太赫兹波段的共焦波导回旋行波管。
背景技术
随着现代高性能雷达以及远距离通信技术的快速发展，系统对信号源的工作频率、功率、带宽等性能的要求日益提高。回旋行波管的互作用结构是光滑波导，理论上相比其他回旋脉塞器件可以实现更高的效率以及更宽的带宽。不过正是由于回旋行波管的光滑波导互作用结构，使其中容易产生各种寄生振荡，这会严重影响到放大器的性能。对于大多数放大器来说，一般通过限制其增益来避免自激振荡的产生，回旋行波管作为一种放大器自然也不例外，比如说在高频互作用系统中分布加载衰减材料来对寄生振荡进行抑制。不过，当频率进入W频段后，过小的波导半径会产生严重的电子注截获问题，使这种互作用结构往往难以实现。
共焦波导结构是由MIT提出的一种新型的互作用结构，这是一种横向开放结构，由于衍射损耗的存在，使得共焦波导具有了分布衰减的特性，这种衰减对不同的模式是不同的，使共焦波导表现出很好的模式选择特性，有效解决了传统回旋器件由于尺寸共度现象难于工作在W波段和更高的太赫兹频段的困难。美国MIT和国内中国工程物理研究院均进行了140GHz共焦波导回旋行波管的研制(详见“A Novel Wideband 140GHz GyrotronAmplifier”，作者：Colin D.Joye等人，2008年；0.14THz共焦波导回旋行波管研究，作者：胡鹏，2013年)。两个单位均采用了两级截断的集中衰减高频互作用系统来切断寄生模式返波振荡。在MIT的实验测试中，为了避免寄生模式振荡、使管子能够稳定输出，不得不降低了电子注发射电流和电子注横纵速度比，最终在中心频率点处得到了820W的稳定输出和1.5GHz的3dB带宽。中国工程物理研究院在试验中只得到了零驱动稳定的结果，尚未取得稳定的输出信号。
发明内容
本发明提出了一种分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统，该结构采用镜面宽度很窄的共焦波导互作用段来切断寄生模式的返波振荡回路，同时保证互作用段足够长，以实现较高的线性增益。进一步地，通过增加输出均匀段镜面宽度来减少放大后高频场的衍射损耗，从而提高工作模式的输出功率和总效率。
本发明采取以下的技术方案实现：
一种分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统，该结构由上、下对称且侧面开放的共焦波导组成，该共焦波导镜面曲率一致，包括依次连接且镜面光滑过渡的输入均匀段、输入渐变段、互作用段、输出渐变段和输出均匀段，其特征在于所述输出均匀段、输入均匀段的镜面宽度大于互作用段；所述输入渐变段、输出渐变段将互作用段的镜面宽度分别渐变为输入均匀段以及输出均匀段的宽度。
进一步地，所述互作用段的镜面宽度小于5毫米。
本发明的共焦波导高频系统采用分布衰减结构，输入均匀段共焦波导镜面宽度大于互作用段，工作模式衍射损耗低，降低了输入耦合器要求，有效降低了毫米波段功率源前级功放的负荷。互作用段采用了较窄的镜面宽度，寄生模式衍射损耗大，充分抑制返波振荡模式，提高管子的稳定性。在互作用段电子注与高频场主要发生相位调制，因此互作用段要保证足够长，以实现较高的线性增益。输出均匀段采用较大的镜面宽度，由于高频场与电子注能量交换主要发生在输出均匀段和输出渐变段，增大镜面宽度可以减小工作模式的衍射损耗，提高工作模式输出功率和互作用效率。所述输出渐变段连接互作用段和输出均匀段，其开缝逐渐变窄，镜面宽度逐渐变宽，减小了工作模式衍射，提高了互作用效率，输出渐变段纵向长度大于输入渐变段，一方面使注波互作用的能量交换充分发生，另一方面减少了由于结构尺寸变化引起的电磁波反射。
本发明的优点：
1)相比于两级截断式的集中衰减结构，该结构通过减小互作用段镜面宽度来控制寄生模式的衍射损耗，可以有效地控制返波振荡等问题；
2)通过增加输出均匀段镜面宽度以及输出渐变段长度，更好的减少了放大后微波的衍射损耗，从而提高工作模式的输出功率和互作用效率。
附图说明
附图1是本发明提供的分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统三维结构图。
附图2是本发明提供的分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统俯视图。
附图3是本发明提供的分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统在中心频率点处的输出功率随时间变化曲线。
附图4是本发明提供的分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统在中心频点处输出功率频谱。
附图5是本发明提供的分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统输出功率随工作频率的变化曲线。
附图标号说明：输入均匀段1、输入渐变段2，互作用段3，输出渐变段4和输出均匀段5。
具体实施方式
以下通过W波段分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述。
共焦波导之所以具有模式选择特性，是由于它的横向开敞结构使它产生了衍射损耗，这种损耗对不同的模式各不相同。工作在共焦波导中的模式一般为HEmn模，对于m＝0的模式，能量集中在镜面中心，所以只有微弱的边缘衰减。对于m>0的模式，大部分的能量更靠近镜面边缘，因此更容易损耗。共焦波导回旋行波管中我们一般只关心HE0n模式。本实施例中，共焦波导两个镜面之间的距离已知为7mm，所以工作模式HEmn是确定的，为HE04模。表1所示为本实施例W波段HE04模式共焦波导回旋行波管高频系统优化后的主要结构参数。
表1 W波段共焦波导回旋行波管高频系统主要结构参数
电子枪发射出的回旋电子注由输入均匀段端口进入，经输入渐变段进入互作用段，在线性互作用区间与高频场通过角向群聚发生调制，激发出HE04模及杂模，其主要返波寄生振荡模式HE01模，HE02模和HE03模，互作用段镜面宽度很窄的共焦波导能有效切断返波振荡回路，抑制返波振荡。高频场放大主要发生在输出渐变段和输出均匀段，输出渐变段共焦波导开缝逐渐减小，是为了减小工作模式的衍射损耗，提高输出效率。
附图1和附图2分别为本实施例提供的分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统三维结构图和俯视图。
附图3和附图4分别为本发明提供的分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统在中心频率点95GHz处的输出功率随时间变化曲线以及频谱分布曲线。由图可知，该结构在输入功率为80mW实现了211kW的稳定输出，且输出信号为95GHz单频信号。附图5是本发明提供的分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统输出功率随工作频率的变化曲线，频率在95GHz时有最高输出功率。

Claims (2)

1.一种分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统，该系统由上、下对称且侧面开放的共焦波导组成，该共焦波导镜面曲率一致，包括依次连接的输入均匀段、输入渐变段、互作用段、输出渐变段和输出均匀段，其特征在于：各段共焦波导两个镜面之间的间距一致；所述输入渐变段、输出渐变段将互作用段的镜面宽度分别渐变为输入均匀段以及输出均匀段的宽度，且输出均匀段、输入均匀段的镜面宽度大于互作用段。
2.如权利要求1所述的一种分布衰减共焦波导回旋行波管高频系统，其特征在于：所述互作用段的镜面宽度小于5毫米。
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