CN108270056B - 一种可精细调频的同轴谐振腔体结构及调频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可精细调频的同轴谐振腔体结构及调频方法，该同轴谐振腔体结构包括谐振腔体(1)、中心轴(2)、介质支撑窗片(3)和介质固定支撑环(4)，其中介质支撑窗片(3)和介质固定支撑环(4)用以支撑中心轴(2)，使中心轴(2)能够在谐振腔体(1)内沿轴向移动，该中心轴(2)为半径渐变的渐变式结构，该半径渐变的中心轴通过沿轴向移动，可实现谐振腔体内谐振频率的精细调节。

Description

一种可精细调频的同轴谐振腔体结构及调频方法

技术领域

本发明涉及电子行业真空电子学技术领域，尤其涉及一种可精细调频的同轴谐振腔体结构及调频方法，该可精细调频的同轴谐振腔体及调频方法用于毫米波回旋管高频冷测的模式激励装置中。

背景技术

回旋管在毫米波和亚毫米波段具有高功率、长脉冲等优点，在毫米波雷达、受控热核聚变的等离子体加热、材料处理和生物医学等领域具有广泛的应用前景。

回旋管为了提高功率容量通常采用尺寸比较大的腔体作为互作用电路，并且工作在高阶边廊模或高阶体模。这类回旋管的高频互作用电路及其准光模式变换器系统在安装之前通常需要进行冷测，而冷测中需要激励高纯度的目标模式作为待测器件的输入信号。

对于较低阶的工作模式，可以采用传统的波导扰动的方法形成产生目标模式；对于高阶的工作模式，通常采用准光模式激励装置的方法形成产生目标模式。准光模式激励装置通常包括馈源喇叭、一面双曲面反射镜、一面准抛物面放射镜、具有小耦合孔阵列的同轴谐振腔。在准光模式激励装置中，曲面反射镜、准抛物面反射镜和同轴谐振腔皆工作于特定工作频率，装配过程中各个部件精确对准。然而，由于同轴谐振腔的加工误差，尤其是谐振腔的外壁开具的耦合孔阵列会严重影响同轴谐振腔的谐振频率，而且由于同轴谐振腔的加工精细，对其进行二次加工修正基本不可行。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于公开一种可精细调频的同轴谐振腔体结构及调频方法，以解决现有技术中回旋管在高阶的工作模式时存在的问题，即回旋管的同轴谐振腔存在加工误差以及精细调频困难的问题。

(二)技术方案

本发明提供一种可精细调频的同轴谐振腔体结构，该同轴谐振腔体结构包括谐振腔体1、中心轴2、介质支撑窗片3和介质固定支撑环4，其中介质支撑窗片3和介质固定支撑环4用以支撑中心轴2，使中心轴2能够在谐振腔体1内沿轴向移动，其特征在于，

该中心轴2为半径渐变的渐变式结构，该半径渐变的中心轴通过沿轴向移动，可实现谐振腔体内谐振频率的精细调节。

进一步，所述半径渐变的中心轴2中间部分为渐变段，前后两端为具有一定长度的第一支撑均匀段6和第二支撑均匀段7。

进一步，所述谐振腔体1和所述中心轴2均为高频损耗小的金属材料，该高频损耗小的金属材料为铝或铜。

进一步，所述介质支撑窗片3选用微波损耗小且具有一定强度的介质材料，该微波损耗小且具有一定强度的介质材料为蓝宝石材料、金刚石、石英或氧化铝。

进一步，所述介质支撑窗片3是通过热缩固定方法来精确固定，具体包括：

通过加温的方法，使谐振腔体结构的输出段的内径稍微膨胀，将介质支撑窗片滑配放置于适当位置；以及

待金属材料恢复常温状态后，介质支撑窗片将固定在谐振腔的输出段内。

进一步，该同轴谐振腔体结构还包括输出段5，输出段5为均匀输出波导段，工作模式从该波导段输出，用以连接其它部件，以开展相关的测试。

进一步，该同轴谐振腔体结构还包括腔体耦合孔阵列8，腔体耦合孔阵列8为同轴谐振腔体的馈入窗口，微波能量束通过该腔体耦合孔阵列，耦合进入同轴谐振腔体内，在谐振腔体内激励起所需要的模式。

一种用于所述的可精细调频的同轴谐振腔体结构的调频方法，其特征在于，该方法包括：

轴向移动半径渐变的中心轴，调节中心轴在谐振腔体内的平均半径R_b，进而精细改变谐振腔体内R_b/R_a的比值，R_a为谐振腔体的腔体半径，实现谐振腔体内谐振频率的精细调节。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，通过半径渐变的中心轴的轴向移动，可实现谐振腔体内R_b/R_a比值的精细改变，以微调谐振腔体内的谐振频率，从而解决由于腔体加工误差及耦合孔阵列造成的谐振腔谐振频率的偏移。

2、利用本发明，通过热胀冷缩固定方法，可实现介质支撑窗片具有一定固定强度和很高配合精度的固定于同轴波导内，从而解决几何机械结构辅以精细加工的方法固定介质支撑窗片所造成的输出通道上的微小扰动。

附图说明

图1是本发明的一具体实施例的可精细调频的同轴谐振腔体结构的剖面图；

图2是本发明的一具体实施例的谐振腔体结构的剖面图；

其中附图标记为：1-谐振腔体；2-中心轴；3-介质支撑窗片；4-介质固定支撑环；5-输出段；6-第一支撑均匀段；7-第二支撑均匀段；8-腔体耦合孔阵列；R_b-中心轴在谐振腔部分内的平均半径，R_a-谐振腔体的腔体半径。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的一具体实施例的可精细调频的同轴谐振腔体结构的剖面图。如图1所示，该可精细调频的同轴谐振腔体主要包括四部分：谐振腔体1、中心轴2、介质支撑窗片3和介质固定支撑环4，介质支撑窗片3和介质固定支撑环4用以支撑中心轴2，使中心轴2能够在谐振腔体1内沿轴向移动，中心轴2为半径渐变的渐变式结构，该半径渐变的中心轴通过沿轴向移动，可实现谐振腔体内谐振频率的精细调节。

请参照图1，半径渐变的中心轴2配合谐振腔体1共同构成同轴谐振腔体，谐振腔体1和中心轴2均为高频损耗小的金属材料，例如铝、铜。半径渐变的中心轴2中间部分为渐变段，前后两端为具有一定长度的第一支撑均匀段6和第二支撑均匀段7，半径渐变的中心轴2在介质支撑窗片3和介质固定支撑环4的支撑下，可以在谐振腔体1内沿轴向在一定范围内移动。通过中心轴的移动，可以调节中心轴在谐振腔体内的平均半径R_b，进而精细改变谐振腔体内R_b/R_a的比值，R_a为谐振腔体的腔体半径，实现谐振腔体内谐振频率的精细调节。该结构在测试过程中，可以保证高频测试和整体结构的连续性和一致性，从而获得最佳的测试效果。

在图1中，输出段5为均匀输出波导段，工作模式从该波导段输出，用以连接其它部件，以开展相关的测试；

腔体耦合孔阵列8为同轴谐振腔体的馈入窗口，微波能量束通过该腔体耦合孔阵列，耦合进入同轴谐振腔体内，在谐振腔体内激励起所需要的模式。图2是本发明的一具体实施例的谐振腔体的剖面图，如图2所示其中8为腔体耦合孔阵列。

介质支撑窗片选用微波损耗小且具有一定强度的介质材料，如蓝宝石材料(也可以采用金刚石、石英、氧化铝等介质)。介质支撑窗片需要精细固定在谐振腔的输出端口位置，通常采用几何机械结构辅以精细加工的方法来固定介质支撑窗片，这种方法由于在输出通道上存在微小的扰动，因此会对输出模式有造成一定的影响。

我们提出了一种热胀冷缩固定方法来精确固定介质支撑窗片。介质支撑窗片材料(蓝宝石材料)的热膨胀系数约5.5×10^-6/℃，金属材料(如铝、铜)的热膨胀系数约为20×10^-6/℃。利用介质支撑窗片材料和金属材料的热膨胀系数具有较大差异的特点，通过加温的方法，使谐振腔体结构的输出段的内径稍微膨胀，将介质支撑窗片滑配放置于适当位置；待金属材料恢复常温状态后，介质支撑窗片将固定在谐振腔的输出段内。通过此方法，可以保证在常温状态下，介质支撑窗片具有一定的固定强度，而且具有很高的配合精度。

同轴谐振腔工作于特定谐振频率；实际加工测试过程中，由于同轴谐振腔的加工误差，尤其是谐振腔的外壁开具的耦合孔阵列会严重影响同轴谐振腔的谐振频率，而且由于同轴谐振腔的加工精细，对其进行二次加工修正基本不可行。

同轴波导中TE(横电磁波)模传播波数由同轴波导特征方程决定：

其中，R_a和R_b分别是谐振腔半径和中心轴的半径，同轴谐振腔体的谐振截止频率为：

由上述公式可以看出，通过改变中心轴与谐振腔半径的比值R_b/R_a，可以影响波导特性方程中X_mn的根值，从而最终改变谐振腔的谐振截止频率。

通常，采用加工多个不同尺寸的中心轴，与谐振腔进行装配和调试，寻找出最佳尺寸的中心轴尺寸。这种方法需要不断的进行整个同轴谐振腔体的装配，而且整个装配过程不同中心轴与介质支撑窗片和介质固定支撑环的配合程度也会对谐振腔的谐振频率的测试造成影响。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可精细调频的同轴谐振腔体结构，该同轴谐振腔体结构包括谐振腔体(1)、中心轴(2)、介质支撑窗片(3)和介质固定支撑环(4)，其中介质支撑窗片(3)和介质固定支撑环(4)用以支撑中心轴(2)，使中心轴(2)能够在谐振腔体(1)内沿轴向移动，其特征在于，

半径渐变的中心轴(2)中间部分为渐变段，前后两端为具有一定长度的第一支撑均匀段(6)和第二支撑均匀段(7)，半径渐变的中心轴(2)在介质支撑窗片(3)和介质固定支撑环(4)的支撑下，可以在谐振腔体(1)内沿轴向在一定范围内移动，可实现谐振腔体内谐振频率的精细调节。

2.根据权利要求1所述的可精细调频的同轴谐振腔体结构，其特征在于，所述谐振腔体(1)和所述中心轴(2)均为高频损耗小的金属材料，该高频损耗小的金属材料为铝或铜。

3.根据权利要求1所述的可精细调频的同轴谐振腔体结构，其特征在于，所述介质支撑窗片(3)选用微波损耗小且具有一定强度的介质材料，该微波损耗小且具有一定强度的介质材料为蓝宝石材料、金刚石、石英或氧化铝。

4.根据权利要求3所述的可精细调频的同轴谐振腔体结构，其特征在于，所述介质支撑窗片(3)是通过热缩固定方法来精确固定，具体包括：

通过加温的方法，使谐振腔体结构的输出段的内径膨胀，将介质支撑窗片滑配放置于适当位置；以及

待金属材料恢复常温状态后，介质支撑窗片将固定在谐振腔的输出段内。

5.根据权利要求1所述的可精细调频的同轴谐振腔体结构，其特征在于，该同轴谐振腔体结构还包括输出段(5)，输出段(5)为均匀输出波导段，工作模式从该波导段输出，用以连接其它部件，以开展相关的测试。

6.根据权利要求1所述的可精细调频的同轴谐振腔体结构，其特征在于，该同轴谐振腔体结构还包括腔体耦合孔阵列(8)，腔体耦合孔阵列(8)为同轴谐振腔体的馈入窗口，微波能量束通过该腔体耦合孔阵列，耦合进入同轴谐振腔体内，在谐振腔体内激励起所需要的模式。

7.一种用于权利要求1-6中任一项所述的可精细调频的同轴谐振腔体结构的调频方法，其特征在于，该方法包括：

轴向移动半径渐变的中心轴，调节中心轴在谐振腔体内的平均半径R_b，进而精细改变谐振腔体内R_b/R_a的比值，R_a为谐振腔体的腔体半径，实现谐振腔体内谐振频率的精细调节。

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