CN107591306B - 一种宽带介质加载回旋行波管高频系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型宽带介质加载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。该系统包括依次连接的预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段，预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段包括金属圆波导外壳、贴合圆波导内壁加载的环形无损介质加载波导，线性放大段角向均匀地设置有矩形有损介质片，并沿轴向呈周期性分布。本发明通过加载无损介质波导，改变整个高频结构色散特性，使电子注曲线与波导色散曲线在宽频段范围内满足谐振条件，确保宽频带工作特性；同时采用渐变的输出结构，解决高频点增益低带来的输出功率低问题。本发明即能满足宽频带工作需求，又能在频带范围内提供较高的微波功率输出。
Description
技术领域
本发明属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域，具体涉及一种宽带介质加载回旋行波管高频系统，可以应用在毫米波及太赫兹波段的回旋行波管。
背景技术
回旋行波管是一种基于电子回旋脉塞效应的微波放大器，在微波、毫米波乃至太赫兹频段内，有产生宽频带、大功率、高效率的电磁波输出的能力，其广泛应用于微波通信系统、毫米波对抗、毫米波成像系统等方面。目前而言，回旋行波管正处于快速发展的阶段，提高输出功率与扩展频率带宽是两个主要的发展方向。
传统回旋行波管的高频结构的互作用结构是光滑波导，该结构能在较宽的频带范围内获得高功率的微波输出，但其结构特性使其容易产生寄生模式振荡，极大地降低了其微波输出带宽和输出功率，限制了回旋行波管的快速发展。为了克服传统结构的缺点，提高输出功率、扩展带宽，介质加载高频结构应运而生。
介质加载结构是由台湾清华大学朱国瑞团队率先提出，它由光滑波导与加载介质层组成，其中介质层采用涂敷等方式加载到光滑波导表面。介质层对不同的寄生模式的衰减特性不同，这种特性能有效用于对返波互作用的寄生模式振荡的抑制，即加载后的高频结构具有了一定的模式选择特性，有效地解决了传统结构带来的模式振荡问题。美国NRL进行了介质加载回旋行波管的实验研究，该结构采用在光滑波导线性放大段外壁角向加载介质切片的方式实现介质加载，热测结果表明，该管实现了在Ka波段78kW峰值功率稳定的微波输出，其3dB带宽为4.2GHz(详见“TE11Ka-Band Gyro-TWT Amplifier with High-AveragePower Compatible Distributed Loss”，作者：D.E.Pershing 等人，2004年)。国内北京真空电子技术研究所同样的针对介质加载结构回旋行波管进行了理论与实验研究，该管采用了在线性段周期均匀加载无损介质的高频结构，实验表明，该管实现在Ka波段156kW的峰值功率微波输出，其饱和增益为44dB，输出频谱纯净，没有寄生模式振荡，但其高频结构3dB带宽仅为1.8GHz，(详见“Design and Experimental Study of a Ka-band Gyro-TWT WithPeriodic Dielectric Loaded Circuits”，作者：刘本田，2011年)，可以看出现有介质加载高频结构并没有较好的解决输出功率与输出带宽相互制约的问题。
发明内容
本发明提出了一种介质加载宽带回旋行波管高频系统，解决了现有介质加载结构无法同时满足宽频带工作及较高功率输出的问题。不同于现有结构中仅在高频结构线性段区域加载有损介质。本发明通过在整个高频系统均加载无损介质，改变整个高频结构色散特性，使电子注曲线与波导色散曲线在宽频段范围内满足谐振条件，确保高频结构宽频带工作特性。同时采用渐变的输出结构，解决高频点增益低带来的输出功率低问题，从而使得该回旋行波管高频系统既能满足宽频带工作需求，又能在频带范围内提供较高的微波功率输出。
本发明采取以下的技术方案实现：
一种宽带介质加载回旋行波管高频系统，包括依次连接的预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段，其特征在于：所述预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段均包括金属圆波导外壳、贴合圆波导内壁加载的环形无损介质加载波导，所述线性放大段角向均匀地设置有矩形有损介质片，并沿轴向呈周期性分布。
进一步地，所述输出渐变段圆波导外壳内半径线性扩张、厚度线性增厚，无损介质加载波导厚度线性减薄。
进一步地，所述有损介质片一个周期内包含沿轴线长度不同的两段有损介质片。
进一步地，所述无损介质加载波导与有损介质片分别为损耗介电常数6.8(1-0.01j)与13(1-0.5j)的陶瓷。
本发明的回旋行波管高频系统，采用整体高频系统加载无损介质方式，改变了波导色散特性，满足电子注与高频系统波导宽频带互作用的需求。预群聚段、线性放大段及非线性放大段采用相同半径的金属波导与无损介质加载波导，使整体互作用结构的色散特性保持一致，让电子注能够在预群聚段及线性放大段实现有效的相位调制，获得较高的线性增益，并在非线性段内进行高频场与电子注的能量交换。线性放大段加载有角向均匀分布，轴向周期性分布的有损介质片，一方面保证了高频结构色散特性的一致性，另外一方面抑制了寄生模式振荡，实现了管子的稳定性工作。所述的渐变输出段，采用优化的渐变结构，使得在工作频带范围中高频率点电子注能和微波继续有效同步，实现电子注与微波的能量交换，等效的增加了互作用段长度，提升了高频率点的输出功率，保证了该结构能够在满足宽带工作需求的情况，实现较高的微波功率输出。
本发明的优点：
1)相比于传统仅在线性放大段加载有损介质加载波导的高频结构，该高频系统全部加载无损介质加载波导，改变了波导色散特性，具有了电子注与微波在较宽频带工作的能力。
2)通过采用优化后的渐变输出结构，使该高频系统在高频率点电子注与微波能有效同步，实现注波有效的互作用，从而保证了高频率点具有较高的输出功率。
附图说明
附图1是本发明提供的宽带介质加载回旋行波管高频系统三维结构图。
附图2是本发明提供的宽带介质加载回旋行波管高频系统轴向剖面图。
附图3是本发明提供的宽带介质加载回旋行波管高频系统横向剖面图。
附图4是本发明提供的宽带介质加载回旋行波管高频系统非线性放大段冷场色散曲线。
附图5是本发明提供的宽带介质加载回旋行波管高频系统在中心频率31GHz处的输出信号电场幅值图。
附图6是本发明提供的宽带介质加载回旋行波管高频系统在中心频点31GHz处输出功率频谱。
附图7是本发明提供的宽带介质加载回旋行波管高频系统输出功率与增益随工作频率的变化曲线。
附图标号说明：预群聚段1、线性放大段2，非线性放大段3，输出渐变段4，无损介质加载波导5，有损介质片6，圆波导外壳7，真空腔体8。
具体实施方式
以下结合Ka波段设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述，需要说明的是该发明并不局限于该实例。
附图1、2、3分别给出了本实施实例提供的宽带介质加载回旋行波管高频系统的三维结构图、轴向剖面图和横向剖面图。本发明中的宽带介质加载高频系统包括预群聚段1、线性放大段2，非线性放大段3、以及输出渐变段4。所述预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段包括金属圆波导外壳、圆波导内壁加载有环形无损介质加载波导，所述线性放大段沿轴向周期性分布有5组有损介质片，每一组都由两段沿轴线长度不同、角向均匀设置的16片矩形有损介质片组成。所述有损介质片一个周期内包含沿轴线长度不同的两段有损介质片，有利于对不同振荡模式进行针对性抑制同时有益于保证高频结构色散特性的一致性。所述输出渐变段圆波导外壳内半径渐变扩张，且圆波导厚度渐变增厚、无损介质加载波导厚度渐变减小。表1、2分别为Ka波段介质加载宽带回旋行波管高频系统的各段的主要结构参数与线性放大段损耗加载结构参数。
表1 Ka波段介质加载宽带回旋行波管高频系统各段结构参数
表2线性放大段损耗加载有损介质片的主要结构参数
片附图4给出了加载无损介质后非线性放大段的冷场色散曲线，其中TE01模式曲线为加载介质前金属圆波导曲线，模式曲线为加载无损介质后波导曲线，可以看出，加载无损介质后色散曲线变得更加的平坦，整体斜率降低，从而具有了与电子注在更宽的频率范围内互作用的能力。附图4同时给出了可能产生振荡的寄生模式：和在整个高频系统加载无损介质后，工作模式由传统的TE01模式转变为模式。模式具有类似TE02模式分布特性，呈现角向变化两次的场分布形式。上标d特指加载介质后的波导模式。
回旋电子注经由磁控注入枪产生由预群聚段端口处进入，经过预群聚段的电子注初步调制，进入线性放大段电子注与高频场发生激烈的角向群聚，同时激发出工作模式及其他杂模，包括主要的振荡模式：、和，通过加载有损介质片可以有效的切断振荡模式的返波回路，有效抑制模式振荡。高频场主要在非线性放大段及输出渐变段得到电子注交出的能量，实现放大，优化后的曲线渐变结构使得在高频率点电子注能和微波继续有效同步，电子注与微波的持续能量交换，提升高频率点输出功率。最终使得该高频系统既满足宽频带工作需求，又能在频带范围内提供较高的微波功率输出。
附图5和附图6分别为本发明提供的介质加载宽带回旋行波管高频系统在中心频率点31GHz处的输出信号场幅值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18W可以实现了371V的输出信号电场幅值输出，即可获得71.5kW的稳定功率输出且输出信号频谱纯净，没有其他寄生模式频谱信息。附图7是本发明提供的宽带介质加载回旋行波管高频系统输出功率和增益随工作频率的变化曲线，由图可知，工作频段内3dB带宽大于6GHz，且在28.3GHz至33GHz之间输出功率均大于70kW，在29GHz处取得峰值功率为101.2kW。
Claims (4)
1.一种宽带介质加载回旋行波管高频系统，包括依次连接的预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段，其特征在于：所述预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段均包括金属圆波导外壳、贴合圆波导内壁加载的环形无损介质加载波导；所述线性放大段角向均匀地设置有矩形有损介质片，并沿轴向呈周期性分布。
2.如权利要求1所述的一种宽带介质加载回旋行波管高频系统，其特征在于：所述输出渐变段圆波导外壳内半径线性扩张、厚度线性增厚，无损介质加载波导厚度线性减薄。
3.如权利要求1或2所述的一种宽带介质加载回旋行波管高频系统，其特征在于：所述有损介质片一个周期内包含沿轴线长度不同的两段有损介质片。
4.如权利要求1所述的一种宽带介质加载回旋行波管高频系统，其特征在于：所述无损介质加载波导与有损介质片分别为损耗介电常数6.8(1-0.01j)与13(1-0.5j)的陶瓷。
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