CN110098098A - 一种行波管慢波系统及包括其的行波管、行波管收发组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种行波管慢波系统及包括其的行波管、行波管收发组件。该慢波系统包括螺旋线，以及分别与螺旋线耦合的用于输入待放大信号的第一端口；用于输出经放大信号和接收天线回传信号的第二端口；用于输出接收信号的第三端口，该第三端口设置在所述第一端口和第二端口之间靠近第一端口一侧。相比于包含两个输能端口的行波管慢波系统的现有技术，本发明所提供的行波管慢波系统增设了接收信号输出端口，可实现行波管的收发信号一体化功能，简化了现有T/R组件级联结构，促进信息处理设备的小型化，降低其生产成本；同时，有效规避由于大功率开关性能限制对整体系统带来的影响，提高了系统性能及可靠性。

Description

一种行波管慢波系统及包括其的行波管、行波管收发组件

技术领域

本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种行波管慢波系统及包括其的行波管、行波管收发组件。

背景技术

发送/接收组件(T/R组件)是作为相控阵雷达系统中不可或缺的核心部件，T/R组件对于整个系统的性能及可靠性起到关键作用。T/R组件既具有发射信号的功率放大功能，又兼具接收信号的放大回传。行波管作为具有射频功率放大功能的电真空器件，通常应用于T/R组件发射单元中作末级功率放大用。

现有技术中由行波管组成的T/R组件，如图1所示，需要集成T/R开关、包括激励放大器和功率放大器(即行波管)的微波信号放大电路、T/R大功率开关器件、包括隔离器、滤波器、衰减器和低噪声放大器的接收信号处理电路等器件构成复杂系统。如图可见，T/R组件的微波信号的“发射部分”与天线回传信号的“接收部分”相互分离，信号的发射和接收共用一个天线系统，接收和发射分时工作，通过T/R大功率开关实现收发转换和隔离。但是T/R大功率开关器件由于其宽频带范围内插入损耗大、响应时间慢、功率容量低、隔离度差等问题降低了T/R组件整体性能，限制了其在信息处理系统中的应用。

因此，为了克服现有技术存在的技术缺陷，需要提供一种可实现收发一体化功能的行波管慢波系统。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种行波管慢波系统，可实现行波管的收发一体化功能，简化了现有T/R组件级联结构；有效规避由于大功率开关性能限制对整体系统带来的影响，提高了系统性能及可靠性。

为达到上述目的，本发明的一个方面提供一种行波管慢波系统，该慢波系统包括螺旋线，以及分别与螺旋线耦合的

用于输入待放大信号的第一端口；

用于输出经放大信号和接收天线回传信号的第二端口；

用于输出接收信号的第三端口，该第三端口设置在所述第一端口和第二端口之间靠近第一端口一侧。

优选地，所述慢波系统进一步包括有设置在所述第一端口与第三端口之间且靠近第三端口侧的衰减器。

优选地，该慢波系统包括夹持杆，所述衰减器为形成在夹持杆上的碳化衰减器。

优选地，所述第三端口位于距所述第一端口螺旋线长度的十分之一至三分之一处。

优选地，所述第一端口为与螺旋线连接的第一输能窗，第二端口为与螺旋线连接的第二输能窗，第三端口为与螺旋线连接的第三输能窗。

本发明的另一方面提供一种行波管，该行波管包括电子枪和根据如上所述的行波管慢波系统。

优选地，所述电子枪进一步包括用于控制电子枪关断和开启的控制栅。

本发明的再一方面提供一种行波管收发组件，该收发组件包括如上所述的行波管。

优选地，所述收发组件进一步包括激励放大器和接收信号处理电路，行波管的第一端口与激励放大器的输出耦合，行波管的第三端口与接收信号处理电路耦合。

本发明的再一方面，提供一种根据如上所述的行波管工作方法，该行波管以发射模式和/或接收模式工作，

在发射模式，行波管第一端口输入的待放大信号被行波管慢波系统放大并经第二端口输出；

在接收模式，行波管第二端口输入的天线回传信号经慢波系统，由第三端口输出。

本发明所提供的行波管慢波系统，通过在待放大信号输入端口和放大输出端口之间增加第三端口，可将放大信号输出端口用作天线回传信号的输入端口并将该接收信号在第三端口输出，相比于常规包含两个输能端口的行波管慢波系统，可实现行波管的收发一体化功能，省去T/R大功率开关器件，促进T/R组件的小型化，降低T/R组件的生产成本；同时，本发明提供的行波管慢波系统有效规避由于大功率开关性能限制对整体系统带来的影响，改善了系统性能及可靠性，使系统抗干扰能力得到增强。

进一步地，本发明所提供的行波管慢波系统还包括有衰减器，可避免在信号发射模式下电子与波相互作用产生微波振荡，同时避免在信号发射模式下第三端口输出大功率信号，影响系统可靠性。将第三端口设置于距所述第一端口螺旋线长度的十分之一至三分之一处，可保证在信号发射模式下行波管能满足功率放大的性能要求，确保行波管稳定工作，不会产生微波振荡；同时在信号接收模式下，从第三端口输出的接收信号可满足系统应用需求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有技术中T/R组件结构示意图。

图2示出现有技术中行波管整管结构示意图。

图3示出本发明的一种实施方式中的行波管整管结构示意图。

图4示出本发明的一种实施方式中的行波管慢波系统结构示意图。

图5示出本发明的一种实施方式中的行波管慢波系统在信号发射模式下微波信号流向。

图6示出本发明的一种实施方式中的行波管慢波系统在信号接收模式下微波信号流向。

图7示出本发明的一种实施方式中的行波管收发组件的工作原理框图

图8示出本发明的一种实施方式中的行波管慢波系统第一端口驻波特性仿真结果。

图9示出本发明的一种实施方式中的行波管慢波系统第二端口驻波特性仿真结果。

图10示出本发明的一种实施方式中的行波管慢波系统第三端口驻波特性仿真结果。

图11示出本发明的一种实施方式中的行波管慢波系统在信号接收模式下传输损耗仿真结果

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在下述的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或者多个实施方式的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施方式。

图1-2示出现有技术中T/R组件以及行波管的结构示意图，现有技术的T/R组件集成有用于与信号处理系统耦合的T/R开关和与天线连接的T/R大功率开关、连接在T/R开关和T/R大功率开关之间的微波信号放大电路和接收信号处理电路，放大电路进一步包括激励放大器和功率放大器(即行波管)，用于信号发射、接收信号处理电路包括隔离器、滤波器、衰减器和低噪声放大器等器件用于接收信号的处理。T/R组件的微波信号的“发射部分”与天线回传信号的“接收部分”相互分离，信号的发射和接收共用一个天线系统，收发分时工作，通过T/R开关和T/R大功率开关实现收发转换和隔离。现有技术中T/R大功率开关器件由于其宽频带范围内插入损耗大、响应时间慢、功率容量低、隔离度差等问题降低了T/R组件整体性能，限制了其在信息处理系统中的应用。

图3示出本发明的一种行波管整管结构，图4-6示出本发明的一种行波管慢波结构，如图3-6所示，本发明的行波管慢波系统包括有螺旋线23，以及分别与螺旋线23耦合用于输入待放大信号的第一端口20；用于输出经放大信号和接收天线回传信号的第二端口21；用于输出接收信号的第三端口22，该第三端口22设置在所述第一端口20和第二端口21之间靠近第一端口20一侧。进一步地，结合附图5所示，所述第一端口20为与螺旋线23耦合的第一输能窗，第二端口21为与螺旋线23耦合的第二输能窗，第三端口22为与螺旋线23耦合的第三输能窗。本发明通过在慢波系统设置第三端口，并使之与慢波系统的第二端口之间形成回路，可将由天线反馈回来的天线回传信号传输至接收信号处理电路，实现接收并输出接收信号的功能。本发明实施例的行波管慢波结构的具体工作原理流程图如图5-6所示。在信号发射模式下，待放大的微波射频信号由第一端口20输入，在慢波系统中与电子枪发射的电子注产生能量交换，输入的微波射频信号经放大后从第二端口21输出，交由天线发射出去。在信号接收模式下，第二端口21接收由天线反馈回来的天线回传信号，天线回传信号经慢波系统由第三端口22传输至接收信号处理电路，本发明实施例的行波管慢波结构，相比于包含两个输能端口的行波管慢波结构，可省略现有T/R组件中的T/R大功率开关功能，实现行波管的收发信号一体化功能，由此促进信息处理设备的小型化，降低T/R组件的生产成本。本发明所提供的行波管慢波结构防止接收的天线回传信号过度衰减导致输出的接收信号不足以满足系统应用需求。同时，本发明提供的行波管慢波系统有效规避由于大功率开关性能限制对整体系统带来的影响，提高了系统性能及可靠性。

在进一步的优选实施例中，为避免在信号发射模式下电子与波相互作用产生微波振荡，同时避免在信号发射模式下第三端口输出大功率信号，超出接收信号处理电路的信号容限阙值，影响系统可靠性，慢波系统可进一步包括有设置在所述第一端口20与第三端口22之间且靠近第三端口22侧的衰减器24。进一步优选地，该慢波系统包括夹持杆25，所述衰减器24为形成在夹持杆25上的碳化衰减器。

为达到本发明的目的，保证在信号发射模式下行波管能满足功率放大的性能要求，确保行波管稳定工作，不会产生微波振荡；同时在信号接收模式下，从第三端口输出的接收信号可满足系统应用需求，本发明还提供另一种优选的实施方式，其中，所述第三端口22可位于距所述第一端口20螺旋线长度的十分之一至三分之一处，主要因为在信号发射模式下，此段距离内的电子注群聚尚未形成，射频信号也尚未放大，仅有毫瓦的级别，从而进一步避免在信号发射模式下，第三端口输出的射频信号超出接收信号处理电路的信号容限阙值，保证系统的可靠性；而在信号接收模式下，此段距离内的接收信号衰弱量较小，能够符合接收信号处理电路的应用需求。图8-11示出该优选的实施方式的行波管慢波结构的各个端口的驻波特性仿真结果图，其中图8为第一端口的驻波特性仿真图；图9为第二端口的驻波特性仿真图；图10为第三端口的驻波特性仿真图；由图8-11可知，第一端口在全频带范围内的驻波抑制比小于1.7：1；第二端口在全频带范围内的驻波抑制比小于2.5:1；第三端口在全频带范围内的驻波抑制比小于3.3:1，均处于可接受范围内。图11中示出在信号接收模式下，第三端口与第二端口之间的传输损耗的衰减量仿真图，如图11所示，在全频带范围内的衰减量不大于-6.5dB，处于可接受范围内，满足系统应用要求。

根据本发明的另一方面，提供一种行波管包括电子枪和如上所述的行波管慢波系统。电子枪进一步包括用于控制电子枪关断和开启的控制栅。通过配置行波管控制栅，在信号发射模式下，电子枪开启发射电子注，慢波系统对从第一端口进入的射频微波信号进行放大处理；在信号接收模式下，控制栅控制电子枪关断，电子枪不发射电子注，慢波系统接收天线回传信号且不对接收信号进行放大处理。在行波管没有电子注发射的状态下，可将第二端口和第三端口之间视为一个低损耗的同轴电路的变形结构，作为天线反馈回来的接收信号的传输通道。需要说明的是，控制栅可以为本领域技术人员所熟知的可控制电子枪关断和开启的调制组件，如控制栅调制，本发明对此不做进一步限定。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种行波管收发T/R组件，该收发组件包括根据本发明所述的行波管。如图7所示，所述收发组件进一步包括收发模式T/R开关、激励放大器和接收信号处理电路。T/R开关与信号处理系统耦合，用于切换T/R组件的工作模式。所述接收信号处理电路包括限幅器、滤波器、低噪声放大器、衰减器等器件。行波管的第一端口通过激励放大器与收发模式开关耦合，行波管的第二端口与天线耦合，经放大的微波信号经天线直接发射，接收信号经行波管的第三端口输出至接收信号处理电路，经收发模式开关耦合至信号处理系统。优选地，行波管进一步包括控制栅，用于接收控制行波管关断和开启的控制信号。所述控制栅为电子枪内的开关控制栅，通过控制栅极电压控制电子枪关断或开启从而实现对行波管发射和接收的控制。

所述行波管收发组件工作原理如下：在信号发射模式下，信号处理系统提供射频信号，通过收发模式开关、激励放大器进入到本发明行波管慢波结构的第一端口，行波管的控制栅控制电子枪发射电子注，射频信号通过慢波结构中与电子枪发射出的电子注相互作用并放大后从第二端口中输出，交由天线发射出去；在信号接收模式下，所述行波管的控制栅极控制行波管电子枪停止发射电子注，天线接收到信号并反馈至行波管，该信号通过慢波结构的第二端口进入慢波结构，通过第三端口输出至接收信号处理电路中，最后接收信号回传至信号处理系统中。

根据本发明的行波管在不改变电子枪结构和收集极结构的情况下，通过在慢波系统增加输出端口，改变行波管的控制方式，使行波管实现发射功能和接收功能。将这种结构的行波管形成T/R组件，省略了现有技术中大功率开关器件，解决了现有技术中因为大功率开关器件的使用存在的问题，在提高大功率发射接收组件的性能和可靠性的同时，简化了电路结构，降低了组件的成本。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种行波管慢波系统，其特征在于，该慢波系统包括螺旋线，以及分别与螺旋线耦合的

用于输入待放大信号的第一端口；

用于输出经放大信号和接收天线回传信号的第二端口；

用于输出接收信号的第三端口，该第三端口设置在所述第一端口和第二端口之间靠近第一端口一侧。

2.根据权利要求1所述的慢波系统，其特征在于，所述慢波系统进一步包括有设置在所述第一端口与第三端口之间且靠近第三端口侧的衰减器。

3.根据权利要求2所述的慢波系统，其特征在于，该慢波系统包括夹持杆，所述衰减器为形成在夹持杆上的碳化衰减器。

4.根据权利要求1所述的慢波系统，其特征在于，所述第三端口位于距所述第一端口螺旋线长度的十分之一至三分之一处。

5.根据权利要求1所述的慢波系统，其特征在于，所述第一端口为与螺旋线连接的第一输能窗，第二端口为与螺旋线连接的第二输能窗，第三端口为与螺旋线连接的第三输能窗。

6.一种行波管，其特征在于，该行波管包括电子枪和根据权利要求1所述的行波管慢波系统。

7.根据权利要求6所述的行波管，其特征在于，所述电子枪进一步包括用于控制电子枪关断和开启的控制栅。

8.一种行波管收发组件，其特征在于，该收发组件包括根据权利要求6所述的行波管。

9.根据权利要求8所述的收发组件，其特征在于，所述收发组件进一步包括激励放大器和接收信号处理电路，行波管的第一端口与激励放大器的输出耦合，行波管的第三端口与接收信号处理电路耦合。

10.一种根据权利要求6所述的行波管工作方法，其特征在于，该行波管以发射模式和/或接收模式工作，

在发射模式，行波管第一端口输入的待放大信号被行波管慢波系统放大并经第二端口输出；

在接收模式，行波管第二端口输入的天线回传信号经慢波系统，由第三端口输出。