CN109148243B

CN109148243B - 适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构

Info

Publication number: CN109148243B
Application number: CN201810955279.7A
Authority: CN
Inventors: 吴钢雄; 殷海荣; 魏彦玉; 杨睿超; 王凡; 李倩; 雷霞; 徐进; 岳玲娜; 赵国庆; 王文祥; 许准
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2020-03-24
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: CN109148243A

Abstract

本发明公开了一种适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构，输入同轴线与匹配段同轴线连接，匹配段同轴线的外导体连接渐变双脊波导的外壳，内导体自渐变双脊波导的中点伸入渐变双脊波导内腔一段长度形成同轴线探针，过渡矩形导体位于渐变双脊波导中顶部脊棱与后腔匹配脊棱之间，同轴线探针连接过渡矩形导体，过滤矩形导体另一端和阻抗变换脊棱连接，阻抗变换脊棱用于实现过渡矩形导体和WRD650双脊波导脊棱间的模式变换，渐变双脊波导另一端和WRD650双脊波导连接，在WRD650双脊波导中插入方形介质窗片。本发明适合螺旋线行波管的宽带、大功率输出。

Description

适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构

技术领域

本发明属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构。

背景技术

微波电真空器件输能结构是微波电子器件如行波管、速调管、返波管、磁控管等中的一个重要组成部分，它不仅能够保证信号的顺利传输，还能起到密封的效果，使得管内处于一种电真空环境中而正常工作。通常情况下，微波结构性能的好坏直接制约着电真空微波器件的输出性能，比如输能结构的带宽、承受功率以及微波窗的气密性等因素。在宽频带的电真空器件中，就需要输能结构在较宽的工作频带范围内有良好的微波传输特性，保证微波信号的在较小的反射下顺利传输；而对于宽频带、大功率电真空器件来说，就不仅需要输能结构满足宽带宽范围内反射小，传输性能优良的要求，还需要输能结构能够满足大功率传输，在大功率工作的情况下不会出现电压击穿，窗片破裂等情况。

螺旋线行波管是微波电真空器件家族中最重要的一种电真空器件，其宽频带、高增益、高功率等特点被广泛运用于各类军事电子技术，特别是雷达、电子对抗、卫星通信方面领域。随着各国军事电子技术和国防装备的不断向前发展，要求螺旋线行波管能够在更高的频率、更宽的带宽、更好的稳定性获得更高的输出功率以满足军事装备部件的小型化，灵活机动性，减少能耗等需求。因此宽频带、大功率的螺旋线行波管在国防军事，卫星通信，电子对抗等领域扮演者越来越重要的角色。而制约螺旋线行波管朝着宽频带、大功率方向发展的一个重要的因素就是输能结构的设计。相比于其他的电真空器件来说，螺旋线行波管在慢波电路结构较为复杂，另外为了满足宽频带的要求，需要慢波结构的归一化色散曲线较为平坦，以保证使行波管能在较宽的频带范围较好地进行电压同步，往往需要各种金属翼片加载，甚至进行跳变、渐变的方式，使得行波管的结构更加复杂。这也给宽频带行波管的输能结构设计带来了不小的挑战。受限于螺旋线行波管结构的复杂性，通常只能通过一段同轴线和螺旋线慢波结构进行连接，然后再通过同轴线与微波窗片进行渐变匹配输出。同轴线怎么过渡和窗片进行连接，以及该选择怎样的窗片不仅能保证宽频带、大功率的性能要求，还要加工工艺简单，可靠性强一直是宽带大功率螺旋线行波管设计者的难题。

适用于螺旋线行波管的微波窗主要有盒型窗、同轴窗、圆波导窗等。同轴窗和同轴线进行渐变匹配往往是最好的选择，但由于大功率的要求，往往在功率容量和加工工艺方面不能满足要求；盒型窗也是使用在螺旋行波管中较为广泛的一种结构，但是往往盒型窗只能工作在中心频率的20％较窄的频带范围内，适用范围较小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构，适合螺旋线行波管的宽带、大功率输出。

为实现上述发明目的，本发明适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构包括输入同轴线、匹配段同轴线、同轴线探针、渐变双脊波导、过渡矩形导体、WRD650双脊波导和方形介质窗片，其中：

输入同轴线与匹配段同轴线连接，输入同轴线和匹配段同轴线的内外导体之间填充空气介质，输入同轴线和匹配段同轴线的内导体尺寸相同，匹配段同轴线的外导体半径小于输入同轴线的外导体半径；

匹配段同轴线另一端的外导体连接渐变双脊波导的外壳，内导体自渐变双脊波导的中点伸入渐变双脊波导内腔一段长度，形成同轴线探针；

渐变双脊波导的顶部脊棱与WRD650双脊波导的顶部脊棱相同，底部脊棱由后腔匹配脊棱和阻抗变换脊棱连接得到，后腔匹配脊棱和阻抗变换脊棱的宽度与WRD650双脊波导底部脊棱的宽度相同；后腔匹配脊棱的高度小于WRD650双脊波导底部脊棱的高度，阻抗变换脊棱的高度大于后腔匹配脊棱的高度；

过渡矩形导体位于渐变双脊波导中顶部脊棱与后腔匹配脊棱之间，同轴线探针连接过渡矩形导体且同轴线探针的端面完全贴合过滤矩形导体一端侧面，过滤矩形导体另一端侧面和阻抗变换脊棱连接，过渡矩形导体的顶面与顶部脊棱底面的距离和过渡矩形导体的底面与后腔匹配脊棱顶面的距离相等；阻抗变换脊棱用于实现过渡矩形导体和WRD650双脊波导间的模式变换；

渐变双脊波导另一端和WRD650双脊波导连接，在WRD650双脊波导中插入方形介质窗片，方形介质窗片的材质采用介电系数为9.4～9.8的蓝宝石，方形介质窗片的厚度wt与工作波长λ的关系满足：0.1mm<wt<0.1λ。

本发明适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构，输入同轴线与匹配段同轴线连接，匹配段同轴线的外导体连接渐变双脊波导的外壳，内导体自渐变双脊波导的中点伸入渐变双脊波导内腔一段长度形成同轴线探针，过渡矩形导体位于渐变双脊波导中顶部脊棱与后腔匹配脊棱之间，同轴线探针连接过渡矩形导体，过滤矩形导体另一端和阻抗变换脊棱连接，阻抗变换脊棱用于实现过渡矩形导体和WRD650双脊波导脊棱间的模式变换，渐变双脊波导另一端和WRD650双脊波导连接，在WRD650双脊波导中插入方形介质窗片。

经仿真验证可知，本发明具有宽频带、大功率输出等优点，而且该结构损耗小，结构简单、易于加工和装配，是一种性能优良的大功率宽带输能结构。

附图说明

图1是本发明适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构的具体实施方式结构图；

图2是图1中输入同轴线至阻抗变换脊棱的三维结构图；

图3是本发明整体结构的三维结构图；

图4为本实施例中输能结构的尺寸示意图；

图5是本发明整体结构的俯视图；

图6是本发明中WRD650双脊波导结构示意图；

图7为矩形陶瓷金属框的结构示意图；

图8是本实施例中介质方窗片的结构示意图；

图9为本实施例中补偿脊波导的结构示意图；

图10是本实施例的S参数仿真结果图；

图11是本实施例的驻波比仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构的具体实施方式结构图。如图1所示，本发明适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构包括输入同轴线1、匹配段同轴线2、同轴线探针3、渐变双脊波导4、过渡矩形导体5、WRD650双脊波导6和方形介质窗片7。

输入同轴线1与匹配段同轴线2连接，输入同轴线1和匹配段同轴线2的内外导体之间填充空气介质，输入同轴线1和匹配段同轴线2的内导体尺寸相同，匹配段同轴线2的外导体半径小于输入同轴线1的外导体半径。

匹配段同轴线2另一端的外导体连接渐变双脊波导4的外壳，内导体自渐变双脊波导4的中点伸入渐变双脊波导4内腔一段长度，形成同轴线探针3。

渐变双脊波导4的顶部脊棱41与WRD650双脊波导6的顶部脊棱相同，底部脊棱由后腔匹配脊棱42和阻抗变换脊棱43连接得到，后腔匹配脊棱42和阻抗变换脊棱43的宽度与WRD650双脊波导底部脊棱的宽度相同；后腔匹配脊棱42的高度小于WRD650双脊波导6底部脊棱的高度，阻抗变换脊棱43的高度大于后腔匹配脊棱42的高度。

图2是图1中输入同轴线至阻抗变换脊棱的三维结构图。如图1和图2所示，过渡矩形导体5位于渐变双脊波导4中顶部脊棱41和后腔匹配脊棱42之间，同轴线探针3连接过渡矩形导体5且同轴线探针3的端面完全贴合过滤矩形导体5一端侧面，过滤矩形导体5另一端侧面和阻抗变换脊棱43连接，过渡矩形导体5的顶面与顶部脊棱41底面的距离和过渡矩形导体5的底面与后腔匹配脊棱42顶面的距离相等；阻抗变换脊棱43用于实现过渡矩形导体5和WRD650双脊波导6间的模式变换。

如图1和图2所示，本实施例中阻抗变换脊棱43包括3段不同高度的脊棱，3段脊棱的长度和高度采用参数扫描仿真的方式得到最优配置。

渐变双脊波导4另一端和WRD650双脊波导6连接，在WRD650双脊波导6中插入方形介质窗片7，方形介质窗片7的材质采用介电系数为9.4～9.8的蓝宝石，方形介质窗片的厚度wt与工作波长λ的关系满足：0.1mm<wt<0.1λ。本实施例中，方形介质窗片7采用矩形陶瓷金属框8进行封装，并在方形介质窗片7的两侧分别设置一段补偿脊波导9，补偿脊波导9的脊棱宽度与WRD650双脊波导6的脊棱相同，脊棱高度小于矩形陶瓷金属框8竖直方向上的边框宽度，补偿脊波导9的厚度t与工作波长λ的关系满足：t<λ/10。补偿脊波导9的应用能够有效抑制双脊波导和方介质窗片不连续性引起的高次模震荡问题，实现无鬼模震荡宽带传输。

如上所述，本发明为同轴线-双脊波导-方窗片输能结构，微波信号从输入同轴线1输出经过双脊波导渐变段到达标准的WRD650双脊波导，再到方形介质窗片，这种结构不仅损耗低、结构简单，便于加工装配，还继承了波导窗的大功率容量这一优点，适合螺旋线行波管宽带、大功率输出。

图3是本发明整体结构的三维结构图。图4为本实施例中输能结构的尺寸示意图。如图4所示，输入同轴线1的内导体直径为rc，外导体直径为ra，长度为L1；匹配段同轴线2的内径为rc，外导体半径为rb，长度为L2；同轴线探针3的内径为rc，长度为L3；过渡矩形导体5的厚度为h2，长度为L4；渐变双脊波导4中顶部脊棱41的高度为h5，后腔匹配脊棱42的高度为h1，长度为L5；阻抗变换脊棱43的第一段脊棱的长度为L6，高度为h3，第二段脊棱的长度为L7，高度为h，第三段脊棱的长度为L8，高度为h4；WRD650双脊波导6脊棱的高度为h5，WRD650双脊波导6起始点到介质方窗片的距离为L9；补偿脊波导9的长度为t；矩形陶瓷金属框8的长度为t1；介质方窗片7宽为rf，高为2rd。

本实施例中输入同轴线1、匹配段同轴线2的内外导体、同轴线探针3、渐变双脊波导4、过渡矩形导体5、WRD650双脊波导6的材料均为无氧铜材料。方形介质窗片的材料为95％Al₂O₃，介电常数为9.4，损耗正切角为0.0002。矩形陶瓷金属框8为铁镍钴瓷封合金材料(可伐、4J33)。

图5是本发明整体结构的俯视图。其中，标准WRD650双脊波导6的宽为a，脊棱的宽度为d。

图6是本发明中WRD650双脊波导结构示意图。如图6所示，本发明中WRD650双脊波导6的宽为a，高为b，脊棱间距为c，脊棱的宽度为d。

图7为矩形陶瓷金属框的结构示意图。如图7所示，矩形陶瓷金属框8的宽为a，高为b，厚度为t1，水平方向上的金属框宽度为sb，竖直方向上的金属框宽度为sa。

图8是本实施例中介质方窗片的结构示意图。如图8所示，介质方窗片7的宽为rf，高为2rd，厚度为wt。

图9为本实施例中补偿脊波导的结构示意图。如图9所示，补偿脊波导9的宽为a，高为b，厚度为t，脊棱的间距为ch，脊的宽度为d。显然脊棱间距ch>WRD650脊棱间距c。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用一个具体实施例进行仿真验证。本实施例中输能结构各个尺寸如下：

输入同轴线：内导体直径rc＝0.79mm，外导体直径为ra＝2.2mm，长度L1＝5mm；

匹配段同轴线：内导体直径为rc＝0.79mm，外导体直径为rb＝1.54mm,，长度L2＝1.27mm；

同轴线探针：直径为rc＝0.79mm，长度L3＝1.33mm；

过渡矩形导体：厚度h2＝1.8mm，长度L4＝3.46mm；

后腔匹配脊棱：高度h1＝1.57mm，长度L5＝4.79mm；

阻抗变换脊棱：第一段脊棱的长度L6＝6.25mm，高度h3＝3.6mm；第二段脊棱的长度L7＝1.82mm，高度h＝2.61mm；第三段脊棱的长度L8＝3.71mm，高度h4＝3.1mm。

WRD650双脊波导：宽a＝18.29mm，高b＝8.15mm，脊棱高度h5＝2.79mm，脊棱间距c＝4.39mm，脊棱宽度d＝2.57mm；WRD650双脊波导起始点至介质方窗片的长度(厚度)L9＝15mm；

矩形陶瓷金属框：长度(厚度)t1＝0.16mm，宽a＝18.29mm，高b＝8.15mm，水平方向上的金属框宽度sb＝1.87mm，竖直方向上的金属框宽度为sa＝1.93mm；

补偿脊波导：长度(厚度)t＝0.48mm，宽a＝18.29mm，高b＝8.15mm，脊棱间距ch＝4.87mm，脊棱宽度d＝2.57mm，脊棱高度为(b-ch)/2＝1.64mm；

介质方窗片：宽rf＝16.33mm，高2rd＝6.32mm，厚度为wt＝0.42mm。

本实施例为工作在8-18GHz频带范围的螺旋线行波管宽带大功率输能结构，其他频段工作时可在上述结构尺寸基础上进行缩放所得。

图10是本实施例的S参数仿真结果图。图10中S1,1为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S2,1为正向传输系数，也就是增益。根据图10可知，本实施例输能结构的传输性能良好，反射系数S1,1在8-18GHz范围内均小于-26.65dB，传输系数S2,1大于0.2dB。

图11是本实施例的驻波比仿真结果图。根据图11可知，本实施例在8-18GHz范围驻波比VSWR均小于1.1。

根据图10和图11的仿真结果可以看出，本发明输能结构具有宽频带、大功率输出的优点。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种适用于螺旋线行波管的宽带大功率输能结构，其特征在于，包括输入同轴线、匹配段同轴线、同轴线探针、渐变双脊波导、过渡矩形导体、WRD650双脊波导和方形介质窗片，其中：

过渡矩形导体位于渐变双脊波导中顶部脊棱与后腔匹配脊棱之间，同轴线探针连接过渡矩形导体且同轴线探针的端面完全贴合过滤矩形导体一端侧面，过滤矩形导体另一端侧面和阻抗变换脊棱连接，过渡矩形导体的顶面与顶部脊棱底面的距离和过渡矩形导体的底面与后腔匹配脊棱顶面的距离相等；阻抗变换脊棱用于实现过渡矩形导体和WRD650双脊波导脊棱间的模式变换；

2.根据权利要求1所述的宽带大功率输能结构，其特征在于，所述阻抗变换脊棱包括3段不同高度的脊棱，3段脊棱的长度和高度采用参数扫描仿真的方式得到最优配置。

3.根据权利要求1所述的宽带大功率输能结构，其特征在于，所述方形介质窗片采用矩形陶瓷金属框进行封装，并在方形介质窗片的两侧分别设置一段补偿脊波导，补偿脊波导的脊棱高度小于矩形陶瓷金属框竖直方向上的边框宽度，补偿脊波导的厚度t与工作波长λ的关系满足：t<λ/10。