CN107452582B - 一种能够抑制谐波的宽带折叠波导行波管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够抑制谐波的宽带折叠波导行波管，包括电子枪、折叠波导慢波结构、磁聚焦结构、输入输出耦合结构和收集级；所述折叠波导慢波结构包括输入段和输出段，输入段和输出段分别由多个结构均匀的U型弯曲曲折波导相互链接而成，其中输入段的长度大于输出段的长度，输入段的结构周期大于输出段的结构周期；在输入段靠近输出段的位置，使任意连续的某几个U型弯曲曲折波导发生周期负跳变来抑制谐波。本发明在输入段均匀结构周期靠近输出段的位置，使连续的某几个U型弯曲曲折波导发生周期负跳变，对抑制谐波放大起到了很好的效果，并且增大了基波的输出功率，从而提升了折叠波导行波管的整管性能。

Description

一种能够抑制谐波的宽带折叠波导行波管

技术领域

本发明属于宽带折叠波导行波管技术领域，特别涉及一种能够抑制谐波的宽带折叠波导行波管。

背景技术

行波管以其很宽的工作带宽，大容量功率，高效率和高增益等一系列明显的特点成为目前使用最多的微波电真空器件。它被广泛的应用在通信，卫星，雷达以及目前比较受关注的电子对抗等领域中，在通信系统中扮演者举足轻重的作用。一直以来研究最多的是螺旋线行波管和耦合腔行波管，而折叠波导行波管作为一种比较新的行波管在上世纪80年代被首次报道和研究，其具有螺旋线行波管优良宽带性能的同时又兼具耦合腔行波管大功率容量的优点，并且也具有慢波结构，输入输出耦合器结构简单，机械加工容易等其他优点，因此被广泛的关注和研究。

折叠波导行波管整体可以划分为：电子枪，折叠波导慢波系统，磁聚焦系统，输入输出耦合结构以及收集级等五个部分。折叠波导慢波系统是由一系列U型弯曲曲折波导相互链接而成的慢波结构，如图1所示。它是行波管发生注-波互作用的电路，电磁波在慢波结构中传输时速度减小，当电磁波的相速等于或略小于电子注的速度时就会发生注-波互作用过程，也就是电磁波和电子注相互作用交换能量的过程，在这个过程中大量电子将能量交给电磁波，从而将电磁波信号放大。

在现代通信快速发展的情况下，对行波管的性能也提出了更高的要求。在设计一支行波管时希望它具有尽可能宽的频带，同时也具有更高的输出功率和效率。折叠波导行波管在上面所述的优点下可以满足宽频带的要求，但其输出功率或者性能常会受到谐波分量影响，尤其是二次谐波。我们希望折叠波导行波管在某一个基波被放大的同时，其谐波尽可能的小，从而保证良好的性能。但实际是基波被放大的同时，该基波的谐波信号也会被放大，从而影响行波管的整体性能。针对这样的问题，目前常用的谐波抑制技术有常规慢波结构周期跳变技术，谐波注入技术，磁场跳变技术等，但这些技术并不是适用于每种结构，要根据具体的行波管采用具体的，最合适的抑制方法。谐波注入技术在抑制谐波时能达到一定的效果，但在操作上有很大的困难，可控性比较差；磁场跳变技术设计比较困难，同样可控性比较差；常规慢波结构周期跳变技术在抑制谐波时其二次谐波输出也通常偏大并且也会抑制基波的放大，不能达到比较理想的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在输入段均匀结构周期靠近输出段的位置，使连续的某几个U型弯曲曲折波导发生周期负跳变，对抑制谐波放大起到了很好的效果，并且增大了基波的输出功率的一种能够抑制谐波的宽带折叠波导行波管。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种能够抑制谐波的宽带折叠波导行波管，包括电子枪、折叠波导慢波结构、磁聚焦结构、输入输出耦合结构和收集级；所述折叠波导慢波结构包括输入段和输出段，输入段和输出段分别由多个结构均匀的U型弯曲曲折波导相互链接而成，其中输入段的长度大于输出段的长度，输入段U型弯曲曲折波导的结构周期大于输出段U型弯曲曲折波导的结构周期；在输入段靠近输出段的位置，使任意连续的某几个U型弯曲曲折波导发生周期负跳变来抑制谐波。

进一步地，所述相邻的两个U型弯曲曲折波导在弯曲的位置相接，周期负跳变的位置是在完整的一个U型弯曲曲折波导结束的位置。

进一步地，所述周期负跳变后的直波导高度参数通过公式(1)来确定：

h_后＝h_前+2*(r_前-r_后) (1)

式中，h_前是跳变前的直波导高度；r_前＝(l_前-b)/2，是跳变前的弯曲半径，其中

是半周期大小，p_前是跳变前的周期大小；b是波导窄边长度；h_后是跳变后的直波导高度；r_后＝(l_后-b)/2，是跳变后的弯曲半径，其中

是半周期大小，p_后是跳变后的周期大小。跳变前的参数都是已知的，当p_后确定后，r_后和h_后即可确定。

本发明的有益效果是：

1、本发明在折叠波导行波管常规相速跳变(结构周期负跳变)来提高基波输出功率但也造成谐波很大程度被放大的问题基础之上，在输入段均匀结构周期靠近输出段的位置，使连续的某几个U型弯曲曲折波导发生周期负跳变，对抑制谐波放大起到了很好的效果，并且增大了基波的输出功率，从而提升了折叠波导行波管的整管性能；

2、本发明只需对现有的折叠波导行波管进行简单改进：在输入段均匀结构周期靠近输出段的位置，使连续的某几个U型弯曲曲折波导发生周期负跳变；制作简单，能够进行广泛推广使用。

附图说明

图1为现有折叠波导行波管慢波结构示意图；

图2为本发明提供抑制谐波的折叠波导慢波结构的示意图；

图3为本发明谐波抑制前和抑制后的折叠波导行波管结构周期跳变图；

图4为本发明实施例中22GHz-35GHz波段折叠波导行波管谐波抑制前的输出功率电压幅值图；

图5为本发明实施例中22GHz-35GHz波段折叠波导行波管谐波抑制前的输出功率归一化频谱图；

图6为本发明实施例中22GHz-35GHz波段折叠波导行波管谐波抑制后的输出功率电压幅值图；

图7为本发明实施例中22GHz-35GHz波段折叠波导行波管谐波抑制后的输出功率归一化频谱图；

图8为本发明实施例中22GHz-35GHz波段折叠波导行波管谐波抑制前后的输出功率归一化频谱对比图；

图9为本发明实施例中22GHz-35GHz波段折叠波导行波管谐波抑制前后以dB表示的输出功率归一化频谱对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

一种能够抑制谐波的宽带折叠波导行波管，包括电子枪、折叠波导慢波结构、磁聚焦结构、输入输出耦合结构和收集级；所述折叠波导慢波结构包括输入段和输出段，输入段和输出段分别由多个结构均匀的U型弯曲曲折波导相互链接而成，其中输入段的长度大于输出段的长度，输入段U型弯曲曲折波导的结构周期大于输出段U型弯曲曲折波导的结构周期；在输入段靠近输出段的位置，使任意连续的某几个U型弯曲曲折波导发生周期负跳变来抑制谐波，具体结构如图2所示。通过协同调节在输入段中发生结构周期负跳变的折叠波导个数，跳变后的结构周期大小以及开始发生跳变的位置等来抑制宽带折叠波导行波管的谐波，并提高输出功率。进行谐波抑制前和抑制后的折叠波导行波管结构周期跳变图分别如图3(a)和图3(b)所示。

进一步地，所述相邻的两个U型弯曲曲折波导在弯曲的位置相接，周期负跳变的位置是在完整的一个U型弯曲曲折波导结束的位置。

进一步地，所述周期负跳变后的直波导高度参数通过公式(1)来确定：

h_后＝h_前+2*(r_前-r_后) (1)

式中，h_前是跳变前的直波导高度；r_前＝(l_前-b)/2，是跳变前的弯曲半径，其中

是半周期大小，p_前是跳变前的周期大小；b是波导窄边长度；h_后是跳变后的直波导高度；r_后＝(l_后-b)/2，是跳变后的弯曲半径，其中

是半周期大小，p_后是跳变后的周期大小。跳变前的参数都是已知的，当p_后确定后，r_后和h_后即可确定。

本实施例是一支工作在22GHz-35GHz波段的折叠波导行波管，图1是谐波抑制前由常规结构周期负跳变来提高其输出功率的本实例折叠波导慢波结构分布图。其分为输入段和输出段，输入段有n1＝32个周期的折叠波导，每个折叠波导的结构周期为p1＝4mm，其半周期l1＝2mm，直波导高度为h₁＝2.5mm，则可以由公式(1)得到其弯曲半径r₁；输出段有n2＝8个周期的折叠波导，每个折叠波导的结构周期为p2＝3.66mm，其半周期l2＝1.83mm，则由公式(1)可以得到其弯曲半径r₂和直波导高度h₂。所以整个折叠波导慢波结构有40个周期。在谐波抑制前工作在Ka波段的本实例折叠波导行波管在输入信号的频率和功率分别为25GHz和605mW时通过粒子模拟方法仿真得到其输出信号电压幅值如图4所示，可以看出其电压幅值为14.5V，通过将电压幅值转换得到其输出功率为105W。图5是其输出功率的归一化频谱图，可以看出其二次谐波信号，既频率为50GHz的信号也被放大，从而对行波管的性能有明显影响。

利用本发明提出的抑制谐波的折叠波导行波管，具体选择周期负跳变的U型弯曲曲折波导的过程为：

(1)确定负跳变的折叠波导个数。考虑到设计，加工和工艺制作的复杂程度，本发明提出的方法中折叠波导结构周期的跳变是以跳变完整的几个结构周期来实现的，这就保证了结构的完整性以及加工的简易性。根据注-波互作用的原理，要在抑制谐波的同时保持基波的放大不会被破坏，需要在注-波互作用过程的后半段破坏电子注速度和谐波相速的同步。结合上述实例，在保持输出段不变的情况下，根据以上原理，暂定选择在第26个折叠波导周期后发生周期负跳变，负跳变后的结构周期长度暂定为p3＝3.76mm。由公式(1)可以得到其对应的跳变后波导的弯曲半径r₃和直波导高度h₃。考虑到谐波被抑制后有可能会再次激励，所以发生负跳变的折叠波导个数不能太多，选择发生负跳变的折叠波导个数为1～4个，通过粒子模拟软件对其注-波互作用分别仿真计算，对比其输出功率频谱图得到最佳的跳变个数为两个。

(2)确定周期负跳变开始的位置。输入段中结构周期负跳变开始的位置对注波互作用的影响也非常大。若跳变发生的太早，就会造成一开始基波和电子注不同步，从而影响基波的输出功率；若跳变发生的太晚，则对谐波的抑制没有效果。为了比较好的抑制谐波，选择跳变位置在输入段的后半段。在上述确定了最佳负跳变折叠波导个数为两个的情况下，选择其开始跳变的位置为第22至第28个折叠波导后，通过粒子模拟方法分别扫描计算以上7个位置的注波互作用结果，将其输出信号频谱图与图5比较，得出最佳开始跳变的位置为第26个折叠波导后。

(3)确定周期负跳变后的大小。此时，已经确定了跳变的位置和跳变的个数，接下来需要确定周期跳变后的大小。因为是周期负跳变，所以需要使跳变后结构周期比跳变前的结构周期小。在开始时，我们暂定的跳变后结构周期为p3＝3.76mm。所以在此基础上，分别扫描两段跳变范围：一段是(3.76-3.9mm)，另一段是(3.5-3.75mm)，扫描的间隔0.02mm，同时在软件模型建立时设置p3、h₃和r₃的关系，当p3更新时，h₃和r₃自动更新，通过粒子模拟仿真方法扫描计算这两段跳变范围的注-波互作用，将输出功率频谱图与图5对比，得到最佳负跳变后的结构周期大小。

综上，本实例22GHz-35GHz波段折叠波导行波管在原有结构基础上通过在输入段中使结构周期负跳变来抑制谐波，经过结构最佳优化设计后，最终得到如图2所示的谐波抑制后的折叠波导慢波结构示意图。其具体结构分布为：输出段保持不变，将输入段经过周期负跳变后分为三段，第一段为26个完整周期，其每个周期长度为p1＝4mm，直波导长度h₁＝2.5mm；第二段是从跳变开始到跳变结束：即在第27个折叠波导结构开始发生周期负跳变，负跳变的折叠波导周期个数为2个，负跳变后的结构周期长度为p3＝3.54mm，直波导长度h₃＝2.74mm；第三段是从跳变结束到第32个周期结束，即4个完整周期的长度，其每个周期长度和第一段一样是p1＝4mm，直波导长度也为h₁＝2.5mm。在该结构下，以同样输入频率25GHz和输入功率605mW通过粒子模拟方法计算其注波互作用，得到图6所示的输出功率电压幅值图和图7所示的功率归一化频谱图，从图6可以看出其输出功率电压幅值为18.3V，通过转换得其输出功率为167.4W。图6与图4相比，其输出功率提高不少。将该输出功率的归一化频谱图7与图5对比得到对比图8。从图8中看出，在25GHz处，基波频谱相比之前增大很多，而在50GHz处，二次谐波的放大被抑制很多。图9是将谐波抑制前后归一化频谱以dB来表示，从图9也可以得到相同的结论。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种能够抑制谐波的宽带折叠波导行波管，包括电子枪、折叠波导慢波结构、磁聚焦结构、输入输出耦合结构和收集级；其特征在于，所述折叠波导慢波结构包括输入段和输出段，输入段和输出段分别由多个结构均匀的U型弯曲曲折波导相互链接而成，其中输入段的长度大于输出段的长度，输入段U型弯曲曲折波导的结构周期大于输出段U型弯曲曲折波导的结构周期；在输入段靠近输出段的位置，使任意连续的某几个U型弯曲曲折波导发生周期负跳变来抑制谐波；

相邻的两个U型弯曲曲折波导在弯曲的位置相接，周期负跳变的位置是在完整的一个U型弯曲曲折波导结束的位置；

周期负跳变后的直波导高度参数通过公式(1)来确定：

h_后＝h_前+2*(r_前-r_后) (1)

式中，h_前是跳变前的直波导高度；r_前＝(l_前-b)/2，是跳变前的弯曲半径，其中

是半周期大小，p_前是跳变前的周期大小；b是波导窄边长度；h_后是跳变后的直波导高度；r_后＝(l_后-b)/2，是跳变后的弯曲半径，其中

是半周期大小，p_后是跳变后的周期大小。

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