CN109935506B - 一种输入输出耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种输入输出耦合器，由输入耦合器和输出耦合器组成，输入耦合器和输出耦合器结构相同，分布在矩形交错双栅慢波结构两端；输入耦合器和输出耦合器由过渡段、矩形波导和反射隔离器组成，过渡段、矩形波导和反射隔离器的中心轴在z向上平行，耦合器关于x＝0的平面镜像对称。本发明采用在矩形交错双栅慢波结构的E面开口连接矩形波导作为输入输出，采用矩形腔反射器隔离电磁，使得整体结构简单紧凑、易于加工、在宽频带范围内端口反射系数小、对电子枪和收集极的隔离度高。

Description

一种输入输出耦合器

技术领域

本发明涉及一种输入输出耦合器，特别是涉及一种适用于矩形交错双栅慢波结构的输入输出耦合器，属于真空电子技术领域。

背景技术

近年来，矩形交错双栅慢波结构在毫米波和太赫兹源的研究中受到关注。这种慢波结构通过在矩形波导两个宽边上放置上下两排彼此交错分布的矩形金属栅，并在上下栅之间留有一定高度的电子注通道得到。引入位错后，双栅结构的基模TEx10模不再是y向反对称模，电子注通道中的横向场分量Ey减弱，纵向场分量Ez增强，给注波互作用提供了有利条件，此时慢波结构可工作于基模，提高了稳定性。矩形交错双栅慢波结构作为毫米波和太赫兹行波管、返波振荡器、自由电子激光等的高频慢波电路时，具有高频损耗较小、增益较高、带宽较大等优点，是一种有高频应用潜力的全金属慢波结构。

输入输出耦合器在行波管中的功能是将电磁波高效地馈入慢波系统，并将与电子注波互作用放大后的电磁波尽可能地传输至输出矩形波导，同时希望泄露至电子枪和收集极的电磁能量尽可能小，以免对行波管稳定性造成负面影响。矩形交错双栅慢波结构的输入输出耦合器设计有困难的主要原因是：(1)矩形波导连接到矩形交错双栅慢波结构，引入的结构不连续性大，造成较大反射；(2)电子注通道宽度与慢波结构宽度一样，信号在其中并不截止，易泄漏至电子枪和收集极，需要设法形成电磁隔离。

文献“J.Q.Lai，Y.B.Gong,Y.Y.Wei,et al.W-band 1-kW staggered double vanetraveling-wave tube.IEEE Trans.Electron Devices,2012,59(2):496-503”提供了一种反射系数小，隔离度较高的输入输出耦合器，由专利CN20111022781.8(一种宽带相移行波管的输入输出结构)提及的输入输出结构和专利CN20101059443.2(一种适用于矩形交错双栅慢波结构的能量耦合器件)提及的能量耦合器件共同组成，整体结构较为复杂，长度较长。结构复杂是由于引入了渐变双脊波导、双脊弯波导等精细结构，以达到汇聚电磁能量、引导电磁能量及减小反射系数的目的，这在太赫兹频段会增加微加工难度和制造成本；长度较长是因为采用渐变的上下两排交错矩形栅将慢波结构过渡至矩形波导，过渡段的渐变矩形栅的数量需足够多(5对即10个以上)以获得满足工程应用需求的反射系数，这样会增加低电压大电流密度条件下带状电子注的聚焦困难。此外，为了获得对电子枪和收集极的良好隔离，在弯波导中插入电子注通道时需缩小通道尺寸使电磁波在其中截止，这样会限制一定电流密度条件下通过的电流或增加电子被通道截获的概率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种结构简单紧凑、易于加工、在宽频带范围内端口反射系数小、对电子枪和收集极的隔离度高的输入输出耦合器。

本发明的技术解决方案：一种输入输出耦合器，由输入耦合器和输出耦合器组成，输入耦合器和输出耦合器结构相同，分布在矩形交错双栅慢波结构两端；

所述的输入耦合器和输出耦合器由过渡段、矩形波导和反射隔离器组成，过渡段、矩形波导和反射隔离器的中心轴在z向上平行，耦合器关于x＝0的平面镜像对称，矩形交错双栅慢波结构的E面开口通过过渡段连接矩形波导一端，所述的反射隔离器为z向和y向腔体组成的十字形腔体结构，z向腔体一端与矩形波导另一端连接，y向腔体在x-y平面内的中心与电子注通道中心重合，y向腔体在y-z平面内，沿电子注通道y向中心轴对称，所述的矩形波导在y向上可分布于电子注通道的上方或下方。

所述的反射隔离器的y向腔体为矩形腔，x向宽度a1大于矩形交错双栅慢波结构x向宽度a，优选≥1.5a，y向高度b1大于2h+t，z向厚度z1与d相当时，有利于获得较大的隔离度和较小的反射系数，优选0.8d≤z1≤1.2d。

所述的y向腔体与矩形波导的距离为z2，根据设计经验，z2与d相当时，有利于获得较大的隔离度和较小的反射系数，优选0.8d≤z2≤1.2d。

所述的输入耦合器的反射隔离器z向腔体一端与输入矩形波导连接，另一端与电子枪连接；所述的输出耦合器的反射隔离器z向腔体一端与输出矩形波导连接，另一端与收集极连接。z向腔体的x向宽度为a1，y向高度为t。

本发明为了阻止信号向电子枪和收集极的泄露，使用了十字形腔体结构作为反射器。反射器的宽度a1必须大于a，优选a1≥1.5a，利用尺寸的不连续性将可能往电子枪或收集极传播的电磁波反射回来，起到对电子枪和收集极电磁隔离的作用。矩形腔反射器与矩形波导的距离为z2，通过调整z2可对反射路径长度进行调整，从而调整阻抗。

所述的矩形波导在x-z平面内，截面尺寸与矩形交错双栅慢波结构槽的截面尺寸一致。

本发明采用矩形波导作为输入输出，通过简单的过渡段直接将矩形波导连接在矩形交错双栅慢波结构槽的两端，且矩形波导和反射隔离器的中心轴在z向上平行，整个结构关于x＝0的平面镜像对称(而现有输入输出耦合器关于y＝0的平面对称)，特别适合于先进的二维精加工工艺如LIGA、DRIE、Nano-CNC等与慢波结构一体化制造，有利于降低加工难度，提高成品率。实现微波信号能量的耦合和提取，与现有输入输出结构相比，结构简单，加工工艺性好。

所述的过渡段为矩形栅结构，矩形栅结构与矩形交错双栅慢波结构一致，只对靠近矩形波导的处在y向高度上进行槽深度跳变处理，跳变dy，dy主要影响耦合器反射系数曲线的中心频点，且合理的dy取值能降低整个带宽内的反射系数，根据设计经验，dy推荐设计值为0.1h～0.2h。

所述的过渡段矩形栅数量不少于2个，交错分布于上下两排，矩形波导与y向同侧最靠近的过渡段矩形栅槽之间的距离为p-d，即为慢波结构的矩形栅厚度。

本发明设计原理：

本发明在矩形交错双栅慢波结构的E面开口连结矩形波导(该矩形波导的截面尺寸与矩形交错双栅慢波结构栅与栅间凹槽的x-z截面尺寸一致)，矩形交错双栅慢波结构中存在和传播的基模是具有较强纵向场Ez分量的TEx10模，而在毫米波及以上频段，功率馈入和输出所用的导波结构通常为矩形波导，其中传播的基模为TE10模。输入输出结构是在某种角度可视为一种模式变换器，实现TEx10模和TE10模的有效过渡。将矩形交错双栅慢波结构的E面开口连接矩形波导，这样矩形波导中的基模TE10模通过该开口传播到矩形交错双栅慢波结构时，一部分电场自然地成为矩形栅波导的电场Ez分量。而为了阻止信号向电子枪和收集极的泄露，本发明使用大尺寸的矩形腔反射器(矩形腔反射器的宽度a1，高度b1，厚度z1)，其宽度a1必须大于a，利用尺寸的不连续性将可能往电子枪或收集极传播的电磁波反射回来。

本发明不用现有技术中小截面尺寸的截止波导方案是为了防止场强增大造成可能的击穿电压下降且大尺寸腔体可确保电子注顺利通过而不被截获。通过调整矩形腔反射器与输入输出矩形波导的距离z2，可对电磁信号隔离度进行调整。为了获得更好的阻抗匹配，在靠近输入输出波导处，y向高度上进行槽深度跳变处理，跳变dy，降低整个带宽内的反射系数。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)本发明采用在矩形交错双栅慢波结构的E面开口连接矩形波导作为输入输出，采用矩形腔反射器隔离电磁，使得整体结构简单紧凑、易于加工、在宽频带范围内端口反射系数小、对电子枪和收集极的隔离度高；

(2)采用本发明与前人采用的渐变格栅高度耦合器方案相比，获得满足工程应用的反射系数时，渐变格栅的数量由5对以上降至只需1对，可减短渐变段长度和减轻渐变段加工难度；

(3)本发明采用大尺寸的反射腔体可确保电子注的良好通过和击穿电压的不下降；

(4)本发明220GHz频段范围仿真得到的反射系数小于-20dB的带宽可达45GHz，同时隔离度优于-30dB，成功实现了微波信号能量的耦合和提取以及对电子枪和收集极的良好隔离；

(5)本发明在取得良好传输特性条件下，具有结构简单紧凑，易于加工的特点，适合采用二维精加工技术如LIGA、DRIE、Nano-CNC等与慢波结构一体化加工，成品率有保证，尤其在太赫兹波频段具有良好的应用潜力。

附图说明

图1为与矩形交错双栅慢波结构配合的本发明整体结构示意图；

图2为与矩形交错双栅慢波结构配合的本发明在y-z平面内(a)和x-z平面内(b)投影图；

其中图中a为矩形交错双栅矩形栅宽度，h为矩形栅高度，p为慢波结构周期，d为栅与栅之间的凹槽纵向长度，p-d为矩形栅厚度，t为电子注通道高度，a1为反射隔离器宽度，b1为反射隔离器y向矩形腔高度，z1为反射隔离器y向矩形腔厚度，z2为反射隔离器y向矩形腔与矩形波导的距离，dy为槽深度跳变；

图3为采用商用电磁仿真软件CST-MWS2011获得的本发明参数。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。

本发明如图1所示，由输入耦合器和输出耦合器组成，输入耦合器和输出耦合器结构相同，对称分布在矩形交错双栅慢波结构两端；输入耦合器和输出耦合器由过渡段、矩形波导和反射隔离器组成，过渡段、矩形波导和反射隔离器的中心轴在z向上平行，整个结构关于x＝0的平面镜像对称，矩形交错双栅慢波结构的E面开口通过过渡段连接矩形波导一端，反射隔离器由z向和y向腔体组成的十字形腔体结构，z向腔体一端与矩形波导另一端连接，y向腔体在x-y平面内的中心与电子注通道中心重合，y向腔体在y-z平面内，沿电子注通道y向中心轴对称，矩形波导在y向上可分布于电子注通道的上方或下方。本实例中输出输入端的矩形波导在y向上均分布于电子注通道的上方。

如图2a、b所示，以220GHz频段为例，矩形栅宽度a＝0.77mm，矩形栅高度h＝0.27mm，慢波结构周期p＝0.46mm，矩形栅厚度p-d＝0.115mm，电子注通道高度t＝0.15mm。输入输出矩形波导截面尺寸：宽边a＝0.77mm，窄边d＝0.345mm。反射隔离器尺寸：宽度a1＝1.21mm，高度b1＝1.1mm，厚度z1＝0.32mm。y向矩形腔与矩形波导的距离z2＝0.4mm，过度段在靠近输入输出波导处槽深度跳变dy＝0.05mm。

采用商用电磁仿真软件CST-MWS 2011获得的输入输出耦合器参数如图3所示，可以看出信号从端口port1(输入)馈入时，反射系数S11在200-246GHz范围内小于-20dB，传输系数优于-0.6dB，同时至port3(电子枪)和port4(收集极)的信号泄露S31、S41不大于-30dB。由仿真结果可知，本实例耦合器具有良好的信号传输特性和隔离特性，符合工程应用需求。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种输入输出耦合器，由输入耦合器和输出耦合器组成，输入耦合器和输出耦合器结构相同，分布在矩形交错双栅慢波结构两端；

其特征在于：所述的输入耦合器和输出耦合器由过渡段、矩形波导和反射隔离器组成，过渡段、矩形波导和反射隔离器的中心轴在z向上平行，耦合器关于x＝0的平面镜像对称，矩形交错双栅慢波结构的E面开口通过过渡段连接矩形波导一端，所述的反射隔离器为z向和y向腔体组成的十字形腔体结构，z向腔体一端与矩形波导另一端连接，y向腔体在x-y平面内的中心与电子注通道中心重合，y向腔体在y-z平面内，沿电子注通道y向中心轴对称，所述的矩形波导在y向上分布于电子注通道的上方或下方；

所述的反射隔离器的y向腔体为矩形腔，x向宽度a1大于矩形交错双栅慢波结构x向宽度a，y向高度b1大于2h+t，其中h为矩形交错双栅慢波结构的排栅高度，t为矩形交错双栅慢波结构上下排栅之间的电子注通道高度；

所述的过渡段为矩形栅结构，矩形栅结构与矩形交错双栅慢波结构一致，只对靠近矩形波导的处在y向高度上进行槽深度跳变处理，所述的过渡段矩形栅数量不少于2个，交错分布于上下两排。

2.根据权利要求1所述的一种输入输出耦合器，其特征在于：所述的x向宽度a1≥1.5a。

3.根据权利要求1所述的一种输入输出耦合器，其特征在于：所述的反射隔离器的y向腔体的z向厚度z1取值范围0.8d≤z1≤1.2d，其中d为矩形交错双栅慢波结构栅与栅之间的凹槽纵向长度。

4.根据权利要求1所述的一种输入输出耦合器，其特征在于：所述的y向腔体与矩形波导的距离为z2取值范围为0.8d≤z2≤1.2d，其中d为矩形交错双栅慢波结构栅与栅之间的凹槽纵向长度。

5.根据权利要求1所述的一种输入输出耦合器，其特征在于：所述的输入耦合器的反射隔离器z向腔体的x向宽度为a1，y向高度为t，其中a1为y向腔体的x向宽度，t为矩形交错双栅慢波结构上下排栅之间的电子注通道高度。

6.根据权利要求1所述的一种输入输出耦合器，其特征在于：所述的矩形波导在x-z平面内，截面尺寸与矩形交错双栅慢波结构槽的截面尺寸一致。

7.根据权利要求1所述的一种输入输出耦合器，其特征在于：所述的在y向高度上进行槽深度跳变处理的跳变dy取值范围为0.1h～0.2h，其中h为矩形交错双栅慢波结构的排栅高度。

8.根据权利要求1所述的一种输入输出耦合器，其特征在于：所述的矩形波导与y向同侧最靠近的过渡段矩形栅槽之间的距离为p-d，即为矩形交错双栅慢波结构的矩形栅厚度。

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