CN109994350A - 一种h面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置,包括:三个具有重叠部分的金属腔和一个金属块;当电磁波从输入端口输入至输入腔体,由于输入腔体与输入端口的匹配,使绝大部分电磁波能量进入输入腔体内,很少部分被反射,而输入腔体和谐振腔体重合部分的电磁波在谐振腔体中激励起具有与谐振腔体对应的场型的电磁波,然后通过金属块调节谐振腔体的谐振频率,从而调整整个装置的传输特性,最后谐振腔体中的电磁波通过谐振腔体和输出腔体的重合部分耦合至输出腔体,再由输出端口输出至交错双栅,从而保证高频系统传输效果的同时,减少慢波结构的纵向长度。
Description
技术领域
本发明属于微波功率传输技术领域,更为具体地讲,涉及一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置。
背景技术
行波管作为真空电子器件中最为重要的一种微波功率器件,具有高功率、高效率、高增益、宽频带及长寿命等特点,广泛应用于卫星通信、生物医学成像、电子对抗等领域。作为行波管的核心部件,慢波结构的性能直接决定着行波管的水平。常用的慢波结构有螺旋线、耦合腔、曲折波导以及矩形交错栅等。在这其中,矩形交错栅由于其结构简单、易加工、耦合阻抗高等特性而备受关注。
输入输出耦合器件作为慢波结构中必不可少的部件,其性能会极大地影响基于此慢波结构的行波管的性能,如果设计不好将会引起严重的信号反射。尤其是当频率升至毫米波和太赫兹频段,输入输出结构的研究更加限制了行波管的发展。赖建强等提出了一种采用渐变波导过渡到标准波导的输入输出耦合装置(专利号为CN 201887011 U),但是这种输入输出结构的加工需要很高的工艺精度,尤其对于太赫兹频段而言精度要求更高,而以目前的工艺水平很难实现。
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H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置,通过电磁波在谐振腔体的谐振,实现了矩形波导到交错双栅的波形变换和能量耦合,具有良好的传输特性和工作带宽。
为实现上述发明目的,本发明一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置,其特征在于,包括:三个具有重叠部分的金属腔和一个金属块;
其中,所述的三个具有重叠部分的金属腔分别为输入腔体、谐振腔体和输出腔体,其形状均为长方体;
三个金属腔的位置关系为:输入腔体和谐振腔体存在部分重叠部分,谐振腔体和输出腔体也存在重叠部分,输入腔体的左侧面与谐振腔体的左侧面共面,输入腔体的下底面与谐振腔体的下底面共面,且这个平面为交错双栅中下排栅的上表面,输入腔体左右侧面的距离小于谐振腔体左右侧面的距离,输入腔体上下底面的距离大于或等于谐振腔体上下底面的距离,谐振腔体的前后侧面分别与输出腔体的前后侧面共面,谐振腔体和输出腔体的前后侧面的距离均等于交错双栅中的栅宽度,谐振腔体的左侧面与输入腔体的右侧面的距离为交错双栅周期长度的一半减去栅厚度所得到的值,输出腔体的左侧面与输入腔体的右侧面共面,输出腔体的左侧面与右侧面的距离为交错双栅周期长度减去栅厚度所得到的值的一半,输出腔体的上底面处于交错双栅中上排栅的下底面所在的平面内,输出腔体的下底面与交错双栅的下底面共面;
输入腔体的前侧面是电磁波输入端口,连接至矩形波导,即能量输入方向与交错双栅的H面垂直,输出腔体的右侧面是电磁波输出端口,连接至交错双栅;
所述金属块的形状为直柱状,包含两个相互垂直的平侧面,柱的高度方向为左右方向,其处于左侧的底面与输入腔的左侧面共面;两个相互垂直的平侧面通过焊接的方式分别连接至谐振腔体的上底面和后侧面;所述金属块的高度不超过谐振腔体左右表面的距离;所述金属块用于调节谐振腔体的谐振频率以调整整个装置的传输特性;
当电磁波从输入端口输入至输入腔体,由于输入腔体与输入端口的匹配,使绝大部分电磁波能量进入输入腔体内,很少部分被反射,而输入腔体和谐振腔体重合部分的电磁波在谐振腔体中激励起具有与谐振腔体对应的场型的电磁波,然后通过金属块调节谐振腔体的谐振频率,从而调整整个装置的传输特性,最后谐振腔体中的电磁波通过谐振腔体和输出腔体的重合部分耦合至输出腔体,再由输出端口输出至交错双栅,从而保证高频系统传输效果的同时,减少慢波结构的纵向长度。
本发明的发明目的是这样实现的:
本发明一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置,包括:三个具有重叠部分的金属腔和一个金属块;当电磁波从输入端口输入至输入腔体,由于输入腔体与输入端口的匹配,使绝大部分电磁波能量进入输入腔体内,很少部分被反射,而输入腔体和谐振腔体重合部分的电磁波在谐振腔体中激励起具有与谐振腔体对应的场型的电磁波,然后通过金属块调节谐振腔体的谐振频率,从而调整整个装置的传输特性,最后谐振腔体中的电磁波通过谐振腔体和输出腔体的重合部分耦合至输出腔体,再由输出端口输出至交错双栅,从而保证高频系统传输效果的同时,减少慢波结构的纵向长度。
同时,本发明一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置还具有以下有益效果:
(1)、相比于传统的渐变型矩形波导到交错双栅的能量耦合结构,本发明在慢波结构纵向(即左右方向)上的长度大大降低,有利于行波管的集成化;
(2)、现有的交错双栅行波管的聚焦系统一般装配于行波管的上下两侧,相比于现有的E面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合结果,本发明的能量馈入方向与交错双栅的H面相垂直,可以有效减小能量耦合结构与行波管聚焦系统的空间竞争;
(3)、本发明采用输入腔体和谐振腔体部分重合,实现输入腔体到谐振腔体的能量耦合;
(4)、本发明通过电磁波在谐振腔体中谐振,并通过调节直柱状金属块的形状和大小来调节谐振腔体内的谐振频率和场型,实现矩形波导到交错双栅的波形转换;
(5)、本发明采用谐振腔体和输出腔体部分重合,实现谐振腔体到输出腔体的能量耦合,以最终实现本发明矩形波导到交错双栅能量耦合的目的。
附图说明
图1是本发明一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置结构示意图;
图2是输入腔体与谐振腔体的相对位置和形状示意图;
图3是输出腔体与谐振腔体的相对位置和形状示意图;
图4是谐振腔体和直柱状金属块的相对位置和形状示意图;
图5是使用本发明实施例作为输入输出结构的具有60个周期的交错双栅行波管高频系统结构示意图的传输特性仿真结果。
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是本发明一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置结构示意图。
在本实施例中,如图1所示,1是输入腔体,2是谐振腔体,3是输出腔体,4是金属块,5是用于输入端口连接的矩形波导,6是输出端口连接的交错双栅,7是交错双栅中下排栅的上表面,8是交错双栅中上排栅的下表面
本发明一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置,包括:三个具有重叠部分的金属腔和一个金属块;
其中,三个具有重叠部分的金属腔分别为输入腔体1、谐振腔体2和输出腔体3,其形状均为长方体;
三个金属腔的位置关系为:输入腔体1和谐振腔体2存在部分重叠部分,谐振腔体2和输出腔体3也存在重叠部分,输入腔体1的左侧面与谐振腔体2的左侧面共面,输入腔体1的下底面与谐振腔体2的下底面共面,且这个平面为交错双栅中下排栅的上表面7,输入腔体1左右侧面的距离小于谐振腔体2左右侧面的距离,输入腔体1上下底面的距离大于或等于谐振腔体2上下底面的距离;在本实施例中,如图2所示,输入腔体1的左侧面1a和谐振腔体2的左侧面2a共面,输入腔体1的下底面1e和谐振腔体2的下底面2e共面;
谐振腔体2的前后侧面分别与输出腔体3的前后侧面共面,谐振腔体2和输出腔体3的前后侧面的距离均等于交错双栅中的栅宽度,谐振腔体2的左侧面与输入腔体1的右侧面的距离为交错双栅周期长度的一半减去栅厚度所得到的值;在本实施例中,如图3所示,谐振腔体2的前侧面2c和输出腔体3的前侧面3c共面,谐振腔体2的后侧面2d和输出腔体3的后侧面3d共面;
输出腔体3的左侧面与输入腔体1的右侧面共面,输出腔体3的左侧面与右侧面的距离为交错双栅周期长度减去栅厚度所得到的值的一半,输出腔体3的上底面处于交错双栅中上排栅的下表面8所在的平面内,输出腔体的下底面与交错双栅的下表面8共面;
输入腔体1的前侧面是电磁波输入端口,连接至矩形波导,即能量输入方向与交错双栅的H面垂直,输出腔体3的右侧面是电磁波输出端口,连接至交错双栅6;
金属块4的形状为直柱状,包含两个相互垂直的平侧面,柱的高度方向为左右方向,其处于左侧的底面与输入腔体1的左侧面共面;两个相互垂直的平侧面通过焊接的方式分别连接至谐振腔体2的上底面和后侧面;金属块4的高度不超过谐振腔体2左右表面的距离;金属块4用于调节谐振腔体2的谐振频率以调整整个装置的传输特性;在本实施例中,如图4所示,金属块4有两个相互垂直的平侧面分别焊接至谐振腔体2的上底面和后侧面;
当电磁波从输入端口输入至输入腔体1,由于输入腔体1与输入端口的匹配,使绝大部分电磁波能量进入输入腔体1内,很少部分被反射,而输入腔体1和谐振腔体2重合部分的电磁波在谐振腔体2中激励起具有与谐振腔体2对应的场型的电磁波,然后通过金属块4调节谐振腔体2的谐振频率,从而调整整个装置的传输特性,最后谐振腔体2中的电磁波通过谐振腔体2和输出腔体3的重合部分耦合至输出腔体3,再由输出端口输出至交错双栅6,从而保证高频系统传输效果的同时,减少慢波结构的纵向长度。
在本实施例中,本发明一般应用于交错双栅行波管,在这种应用情况下,需要在谐振腔体左侧面开孔,若要保持本发明的能量耦合效果,则要求所开的孔足够小,以保证本发明中传输的电磁波波长小于孔的截止波长。
本发明所提供的装置中的能量耦合链路具有可逆性,如果将其输入端口与输出端口互换,可以达到相同的波形变换和能量耦合效果。
图5是使用本发明实施例作为输入输出结构的具有60个周期的交错双栅行波管高频系统结构示意图的传输特性仿真结果,可以看出带有本发明能量耦合结构的交错双栅慢波系统在320GHz-360GHz频带内均具有良好的微波传输特性。
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 (3)
1.一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置,其特征在于,包括:三个具有重叠部分的金属腔和一个金属块;
其中,所述的三个具有重叠部分的金属腔分别为输入腔体、谐振腔体和输出腔体,其形状均为长方体;
三个金属腔的位置关系为:输入腔体和谐振腔体存在部分重叠部分,谐振腔体和输出腔体也存在重叠部分,输入腔体的左侧面与谐振腔体的左侧面共面,输入腔体的下底面与谐振腔体的下底面共面,且这个平面为交错双栅中下排栅的上表面,输入腔体左右侧面的距离小于谐振腔体左右侧面的距离,输入腔体上下底面的距离大于或等于谐振腔体上下底面的距离,谐振腔体的前后侧面分别与输出腔体的前后侧面共面,谐振腔体和输出腔体的前后侧面的距离均等于交错双栅中的栅宽度,谐振腔体的左侧面与输入腔体的右侧面的距离为交错双栅周期长度的一半减去栅厚度所得到的值,输出腔体的左侧面与输入腔体的右侧面共面,输出腔体的左侧面与右侧面的距离为交错双栅周期长度减去栅厚度所得到的值的一半,输出腔体的上底面处于交错双栅中上排栅的下底面所在的平面内,输出腔体的下底面与交错双栅的下底面共面共面;
输入腔体的前侧面是电磁波输入端口,连接至矩形波导,即能量输入方向与交错双栅的H面垂直,输出腔体的右侧面是电磁波输出端口,连接至交错双栅;
所述金属块的形状为直柱状,包含两个相互垂直的平侧面,柱的高度方向为左右方向,其处于左侧的底面与输入腔的左侧面共面;两个相互垂直的平侧面通过焊接的方式分别连接至谐振腔体的上底面和后侧面;所述金属块的高度不超过谐振腔体左右表面的距离;所述金属块用于调节谐振腔体的谐振频率以调整整个装置的传输特性;
当电磁波从输入端口输入至输入体,由于输入腔体与输入端口的匹配,使绝大部分电磁波能量进入输入腔体内,很少部分被反射,而输入腔体和谐振腔体重合部分的电磁波在谐振腔体中激励起具有与谐振腔体对应的场型的电磁波,然后通过金属块调节谐振腔体的谐振频率,从而调整整个装置的传输特性,最后谐振腔体中的电磁波通过谐振腔体和输出腔体的重合部分耦合至输出腔体,再由输出端口输出至交错双栅,从而保证高频系统传输效果的同时,减少慢波结构的纵向长度。
2.根据权利要求1所述的一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置,所述的谐振腔体左侧面开小孔,保证传输的电磁波波长小于孔的截止波长,从而达到装置能量耦合效果。
3.根据权利要求1所述的一种H面插入型矩形波导到交错双栅的能量耦合装置,所述的输入端口与输出端口能够进行位置互换,从而使能量耦合链路具有可逆性,且同样达到相同的波形变换和能量耦合效果。
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