CN109559958A - 新型带状电子束行波管输出结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型带状电子束行波管输出结构，该输出结构包括双矩形波导耦合结构、圆弧形弯波导、单斜劈介质匹配负载、直线型渐变段，其中双矩形波导耦合结构包括上、下波导；上波导为电磁波通道，电磁波通道两端分别为电磁波输出端口、匹配负载端口；下波导为电子注通道，电子注通道两端分别为电子注输出端口、输入端口；所述波通道与电子注通道之间设置矩形耦合缝，所述圆弧形弯波导连接于电磁波输出端口，所述单斜劈介质匹配负载设置于匹配负载端口，所述直线型渐变段连接于电子注输出端口。该新型结构能够有效地实现注波分离、提供较宽的电子注通道、隔离高频互作用区和收集极区并且在较宽频带上拥有较好的传输系数。

Description

新型带状电子束行波管输出结构
技术领域
本发明属于微波真空器件领域，涉及用于大功率微波真空器件的输出结构，具体为一种带状电子束行波管的超宽频带输出结构。
背景技术
带状束微波真空器件是通过电子在真空中的运动将带状电子束所携带的电子动能转换成微波能量的器件。电子枪产生带状束电子注，电子注在阳极与阴极之间的电压和外加磁场的约束下向高频结构运动。电子注在高频结构中与高频场相互作用，将电子的能量转化成高频能量。为了实现注波互作用过程，需要通过输入结构将高频输入信号能量耦合到慢波线上，进而与电子注互作用进而被放大，而被放大的高频信号能量则通过输出结构耦合到输出回路上去。合理的输出结构对提高器件整体的性能，增加器件的稳定性以及扩展器件的工作频带起着重要的作用。
常见的带状电子束行波管输出结构主要采用脊波导结合弯头的方式，电子注沿脊波导的纵向输入输出，高频能量从脊波导上的弯头耦合腔输入输出。然而，由于脊波导的尺寸通常是固定的，电子注在传输过程中不可避免的会发散以致打在波导壁上，破坏输出结构，影响管子的性能与寿命；并且为了增大电子的流通率，脊波导的尺寸不能过小，这就导致部分电磁波会进入收集极区，会对器件的性能以及稳定性造成影响；同时，弯波导虽然可以引导电磁波实现与电子注的分离，但由于它是与脊波导连通的，仍会有一定数目的电子因具有与弯波导方向相同的分速度而伴随电磁波进入其中，从而轰击窗片，造成窗片损耗；另外，由于脊波导连接结构的工作带宽十分有限，导致整管的工作带宽也受到一定的限制，一般只有30％的相对带宽。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题提供一种极宽频带、高电子通过率并且便于加工的带状电子束行波管输出结构，该结构能够有效地实现注波分离、提供较宽的电子注通道、隔离高频互作用区和收集极区并且在较宽频带上拥有较好的传输系数。
本发明的技术方案为：带状电子束行波管的输出结构，其特征在于，包括双矩形波导耦合结构、圆弧形弯波导、单斜劈介质匹配负载、直线型渐变段，其中双矩形波导耦合结构包括上、下波导；上波导为电磁波通道，电磁波通道两端分别为电磁波输出端口、匹配负载端口；下波导为电子注通道，电子注通道两端分别为电子注输出端口、输入端口；所述波通道与电子注通道之间设置矩形耦合缝，所述圆弧形弯波导连接于电磁波输出端口，所述单斜劈介质匹配负载设置于匹配负载端口，所述直线型渐变段连接于电子注输出端口。
进一步的，所述矩形耦合缝用于实现注波分离，其要求工作频带内电磁波的S参数如下：输入端口的反射系数小于-20dB；输入端口与电子注输出端口隔离度小于-20dB；电磁波与电子注输入端口与匹配负载端口的隔离度小于-20dB；输入端口到电磁波输出端口之间的插入损耗不超过0.2dB。
所述圆弧形弯波导用于引导电磁波传输，实现能量的横向输出。
所述直线型渐变段为渐变矩形波导，用于避免电子注因发散而击打波导壁，提高了电子注的流通率。
所述单斜劈介质匹配负载用于吸收电磁波，避免电磁波在端面的反射。
本发明采用双矩形波导耦合结构，通过多个矩形缝隙连接上、下波导，使高频电磁波在不干扰电子注传输的情况下从电子注通道(下波导)耦合到电磁波通道中(上波导)。通过调节缝宽、缝长获得较好的电磁波耦合量；通过调节缝隙数目、缝间距增加耦合出电磁波的方向性、拓展电磁波的带宽，且使结构更加紧凑。
在工作中，电磁波通过双矩形波导耦合结构在上波导中同时耦合出向两端传输的电磁波，电磁波输出端连接圆弧形弯波导，用于引导电磁波传输，实现能量的横向输出；同时向匹配负载端口的电磁波直接传输到端面，产生反射，会再次耦合入下波导，扰动电子注，所以在匹配负载端口设置单斜劈介质匹配负载，用于吸收电磁波，减小反射。
对于带状束行波管，由于带状束本身具有较宽的特点并且在磁聚焦系统边缘区域电子注的聚焦力变弱，导致电子注零散现象。因而采用直线型渐变段，引入更大、更宽尺寸的电子注通道，避免电子注因发散而击打波导壁，提高了电子注的流通率。
本发明的发明效果为：
1.带状电子束行波管的输出结构采用双矩形波导耦合结构，通过调节耦合缝的大小、数目、分布实现注波分离，将电磁波从电子注通道内分离出来，并保证了较宽的工作频带(相对带宽40％以上)，具有良好的传输性能；
2.输出结构的反射系数小于-20dB，有效的抑制边带振荡，增加了器件的稳定性；
3.输出结构在不影响电磁波传输的前提下，提供更宽的电子注通道以供电子注的传输，减小零散电子打在电子注通道上的几率，有效提高电子流流通率；
4.输出结构通过匹配负载的设置，进一步改善了传输系数，弯波导的引入实现了电磁能量的横向传输；
5.输出结构结构简单，易于加工。
附图说明
图1为本发明带状电子束行波管输出结构的结构示意图；
(a)为空气盒示意图，其中1为金属壁、2为电子注通道、3单斜劈介质匹配负载、4为矩形耦合缝、5为电磁波通道、6为直线型渐变段；Port1表示整个输出结构的输入端、Port2表示整个输出结构的电子注输出端、Port3表示整个输出结构的电磁波输出端；
(b)为结构构成图，其中A表示双矩形波导耦合结构、B表示圆弧形弯波导、C表示单斜劈介质匹配负载、D表示直线型渐变段；
(c)为结构剖视图。
图2为双矩形波导耦合结构剖面示意图，其中PortA为输入端口、PortB为电子注输出端口、PortC为匹配负载端口、PortD为电磁波输出端口。
图3为圆弧形弯波导的剖面示意图。
图4为单斜劈介质匹配负载的剖面示意图。
图5为直线型渐变段的剖面示意图，其中，W1、W2表示矩形波导矩形截面的长，Y1、Y2表示矩形波导矩形截面的宽。
图6为本发明带状电子束行波管输出结构S参数图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。为了方便说明，在此只采用了36GHz-52GHz的带状束行波管输出结构进行详细说明，但是，本发明的保护范围不局限于此，基于本发明的其他频段，其他带状束行波管输出结构以及任何熟悉该技术的人在本发明揭露的技术范围内，可以想到的变化或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
如图1-5所示为本实施例带状电子束行波管的输出结构，包括双矩形波导耦合结构A、圆弧形弯波导B、单斜劈介质匹配负载C、直线型渐变段D，其中双矩形波导耦合结构包括上、下波导；上波导为电磁波通道5，电磁波通道两端分别为电磁波输出端口PortD、匹配负载端口PortC；下波导为电子注通道，电子注通道两端分别为电子注输出端口PortB、输入端口PortA；所述波通道与电子注通道之间设置矩形耦合缝4，所述圆弧形弯波导连接于电磁波输出端口，所述单斜劈介质匹配负载设置于匹配负载端口，所述直线型渐变段连接于电子注输出端口。
双矩形波导耦合结构由两个尺寸完全相同的矩形波导通过多个耦合缝隙相连，其结构如图2所示。其中，矩形波导横截面长为5.8mm、宽为1.8mm，用以传播工作频带为36GHz-52GHz的电磁波，在慢波结构中互作用后的电子注与电磁波由port1传入矩形双波导的下波导内，电磁波通过高度为1.6mm，长度为6.5mm，对称分布且间距均为2mm的矩形耦合缝进入上波导内，而电子仍通过下波导传至port2。耦合缝的宽度依次分别为0.2mm,0.4mm,0.55mm,0.55mm,0.6mm,0.6mm,0.55mm,0.55mm,0.4mm,0.2mm。
圆弧形弯波导连接于电磁波输出端口PortD，采用圆弧形的弯波导可以大大减小输入端的反射系数，提升传输性能，其结构如图3所示，圆弧弯波导的内半径为2.5mm,外半径为8mm。
单斜劈介质匹配负载设置于匹配负载端口，其结构如图4所示，匹配负载采用斜劈的结构，实现了与要吸收波的匹配以进一步减小反射。图中可以看出其尺寸长为6.5mm、宽为1.8mm,斜劈的高为5.8mm，本发明选用相对介电常数为10，损耗角正切为0.3的BeO-SiC作为吸波材料。
直线型渐变段为渐变波导，其结构如图5所示，原先的电子注通道(双矩形波导耦合结构的下波导)的尺寸由长W1为5.8mm、宽Y1为1.8mm扩大至长W2为7mm、宽Y2为3mm，由于输入输出结构处于聚焦磁场边缘，加之电子与波互作用后导致电子变形与发散，增大后的电子注通道可以在原来计算94.5％通过率的基础上提高至少5％的电子流通率。
如图6所示为本实施例带状电子束行波管输出结构的S参数图,可以看出在36GHz-52GHz的超宽频带范围内输入端Port1的反射系数在-24dB以下，从Port1到电子注输出端Port2的电子注通道传输系数在-20dB以下，而从Port1到电磁波输出端Port3的插入损耗在0.04dB左右，使得电磁波在超宽频带内拥有较好的传输参数。
把此结构应用于带状束行波管上，实现了超宽频带大功率传输的良好性能，并且结构简单，加工方便。作为带状束器件的重要组成部分，输入输出结构窄带宽、反射大和电子流通率低一直制约着带状束行波管的实际运用。本发明设计的带状束行波管输入输出结构不但提供了更宽的电子注通道提高电子的流通率，并能在超宽的带宽上实现良好的电磁波传输，配合的可调聚焦装置，可令带状束行波管模拟仿真中实现99.5％以上的电子流通率。

Claims (5)

1.带状电子束行波管的输出结构，其特征在于，包括双矩形波导耦合结构、圆弧形弯波导、单斜劈介质匹配负载、直线型渐变段，其中双矩形波导耦合结构包括上、下波导；上波导为电磁波通道，电磁波通道两端分别为电磁波输出端口、匹配负载端口；下波导为电子注通道，电子注通道两端分别为电子注输出端口、输入端口；所述电磁波通道与电子注通道之间设置矩形耦合缝，所述圆弧形弯波导连接于电磁波输出端口，所述单斜劈介质匹配负载设置于匹配负载端口，所述直线型渐变段连接于电子注输出端口。
2.按权利要求1所述带状电子束行波管的输出结构，其特征在于，所述矩形耦合缝用于实现注波分离，其要求工作频带内电磁波的S参数如下：输入端口的反射系数小于-20dB；输入端口与电子注输出端口隔离度小于-20dB；电磁波与电子注输入端口与匹配负载端口的隔离度小于-20dB；输入端口到电磁波输出端口之间的插入损耗不超过0.2dB。
3.按权利要求1所述带状电子束行波管的输出结构，其特征在于，所述圆弧形弯波导用于引导电磁波传输，实现能量的横向输出。
4.按权利要求1所述带状电子束行波管的输出结构，其特征在于，所述直线型渐变段为渐变矩形波导，用于避免电子注因发散而击打波导壁，提高了电子注的流通率。
5.按权利要求1所述带状电子束行波管的输出结构，其特征在于，所述单斜劈介质匹配负载用于吸收电磁波，避免电磁波在端面的反射。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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