CN110596570A - 一种共焦波导高频电路测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种共焦波导高频电路测试系统，属于真空电子技术领域。该系统包括网络分析仪、扩频模块、过渡波导、和待测件模块，待测件模块为左右镜像对称结构，包括依次级联的第一TE10‑HE0n模式变换器、镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构、镜宽渐变增大台阶以及第二HE0n‑TE10模式变换器。本发明中待测高频电路长度任意、镜宽分布任意、工作模式任意，且待测件模块各单元结构可方便快捷的增加、减少、拆卸或安装。待测件模块各单元结构沿纵向级联，并采用相同的定位孔和螺钉通孔，保证高同轴度定位和装配。可应用于任意长度、任意镜宽分布的共焦波导高频电路传输特性测试。

Description

一种共焦波导高频电路测试系统
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种通用的共焦波导高频电路测试系统，可应用于任意长度、任意镜宽分布的共焦波导高频电路传输特性测试。
背景技术
共焦波导高频电路的模式选择特性可以缓解在高阶模状态时的不稳定性(J.R.Sirigiri et al 2003 High-power 140-GHz quasioptical gyrotron traveling-wave amplifier Phys.Rev.Lett.90 258302)。高阶模式工作可以显著增大高频结构尺寸，实现器件往高频率和高功率方向发展，因而共焦波导高频结构在毫米波和太赫兹低频段回旋器件上具有重要的发展和应用前景。在共焦波导回旋行波管的研制过程中，对高频电路中各潜在起振模式的传输特性进行准确地测试和验证是必要的环节，这关系到整管输出性能的发挥以及管子是否能稳定工作，因而高频电路传输特性测试系统的设计至关重要。
发明内容
通常共焦波导回旋行波管放大器中的工作模式为高阶HE0n模式(n＝4,6等大整数)，显然不能直接对其传输特性进行测试，只能采取间接测试的方式。本发明提出了一种基于背靠背拓扑结构(T.H.Chang 2010 Generating pure circular TEmn modes usingY-type power dividers,IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,58(6),1543–1550)的共焦波导高频电路测试系统，主要由网络分析仪、扩频模块、同轴-矩形口过渡波导和待测件模块构成，通过两次分别测试含/不含高频电路的待测件模块来间接获得其特性。
本发明采取以下的技术措施实现：
本发明提出的一种共焦波导高频电路测试系统，包括网络分析仪、第一扩频模块、第二扩频模块、同轴-矩形口过渡波导、矩形-同轴口过渡波导和待测件模块，所述网络分析仪产生激励信号，激励信号进入第一扩频模块后产生工作频段的信号后，通过同轴-矩形口过渡波导馈入到待测件模块，然后通过矩形-同轴口过渡波导输出到第二扩频模块，最后回到网络分析仪，由网络分析仪得到待测件模块的频率响应特性。
其特征在于：所述待测件模块为左右镜像对称结构，包括依次级联的第一TE10-HE0n模式变换器、镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构、镜宽渐变增大台阶以及第二HE0n-TE10模式变换器。
从同轴-矩形口过渡波导输入的TE10模式经过第一TE10-HE0n模式变换器变换为共焦波导HE0n模式后，通过镜宽渐变收缩台阶将第一TE10-HE0n模式变换器的输出口径渐变过渡到待测共焦波导高频电路结构的输入口径，待测共焦波导高频电路结构的输出口径通过镜宽渐变增大台阶渐变过渡到第二HE0n-TE10模式变换器的输入口径，共焦波导HE0n模式经过第二HE0n-TE10模式变换器变换回TE10模式，并通过矩形-同轴口过渡波导输出。
进一步的，所述第一TE10-HE0n模式变换器、镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构、镜宽渐变增大台阶以及第二HE0n-TE10模式变换器的上、下部分分别设置有连通的紧固螺杆通孔，两根紧固螺杆分别穿过紧固螺杆通孔将待测件模块固定，使其不发生相对位移，并且方便多段单元结构增加、减少、重组、拆卸及安装。
进一步地，所述第一TE10-HE0n模式变换器、镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构、镜宽渐变增大台阶以及第二HE0n-TE10模式变换器相邻两结构之间设置有若干定位孔，通过定位销钉辅助定位。
进一步地，所述第一TE10-HE0n模式变换器、镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构、镜宽渐变增大台阶以及第二HE0n-TE10模式变换器的镜面按“类梯形”形状向外逐渐加宽加厚(即镜面厚度延展)，方便布局定位孔和紧固螺杆通孔的同时，降低镜面在厚度延展过程中对衍射电磁波的影响。
进一步地，所述待测件模块相邻两结构单元间设置有三个定位孔，这根据三角形稳定性原理设计得到，可以提高不同单元沿纵向级联时的定位精度。
本发明具有以下优点：
(1)通用性：高频电路长度任意、镜宽分布任意、工作模式任意，且待测件模块各单元结构可方便快捷的增加、减少、拆卸或安装。
(2)待测件模块各单元结构沿纵向级联，并采用相同的定位孔和螺钉通孔，保证高同轴度定位和装配。
(3)两片分离的镜面构成的待测共焦波导高频电路结构与一体的模式变换器连接，提高定位精度。
(4)基于三角形稳定性原理的定位孔设计，提高装配精度。
附图说明
图1为测试系统框图；
图2为待测件模块三维结构示意图；
各标号分别代表：第一TE10-HE0n模式变换器-1；镜宽渐变收缩台阶-2；待测共焦波导高频电路结构-3；镜宽渐变增大台阶-4；第二HE0n-TE10模式变换器-5；紧固螺杆-9；
图3为镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构及连接部件三维结构示意图；
各标号分别代表：镜宽渐变收缩台阶-2；待测共焦波导高频电路结构-3；定位孔-6；定位销钉-7；紧固螺杆通孔-8；紧固螺杆-9；
图4为含/不含高频电路的待测件模块传输参数(S21)测试结果；
图5为高频电路单位长度损耗的频率响应。
具体实施方式
以下对W频段HE04模式工作的共焦波导高频系统测试系统和附图对本发明进行详述：
如附图2所示，采用将待测的多段共焦波导单元与两个对称放置的模式变换器同时串联的方式来进行定位和紧固，即采用两根长紧固螺杆依次串联“第一TE10-HE0n模式变换器—镜宽渐变收缩台阶—待测共焦波导高频电路结构—镜宽渐变增大台阶—第二HE0n-TE10模式变换器”，这同时避免了共焦波导单元两个镜面分离而难以精确定位或者需要额外装置来定位的问题。
注意到高频电路结构具有可重组性：1)均匀高频电路：测试不同长度高频电路时，可通过多段电路单元任意组合得到；2)非均匀分布式高频电路：分为多段加工，同时方便多段结构单元增加、减少、重组、拆卸及安装。
如附图3所示通过“类梯形”台阶(减小对衍射场的扰动)延展了镜面厚度以方便布局定位孔和紧固螺杆孔，其中外围呈三角形分布的三个通孔为Φ5的销钉孔，中心孔为串联长紧固螺杆通孔。此外，由于待测件长度不同，所以定位销钉总长度需要与之相匹配，类似地也可以采用多段销钉组合的方式，以减少销钉型号和数量。
如附图1所示为测试系统框图，通过网络分析仪、扩频模块对待测件模块(待测共焦波导高频电路结构)进行测试，其中待测件模块可拆卸和重组。待测高频电路的净损耗分贝值NL(Net loss，单位：dB)为该待测件模块中含/不含高频电路时的总插入损耗IL(Insertion loss)值之差，即
上式中z为高频电路纵向位置，f为测试频率，Lz是待测高频电路总长度，IL是待测件模块的总插入损耗。对于均匀的待测高频电路，单位长度损耗UL为
如附图4所示为含/不含40mm长均匀高频电路的待测件模块传输参数测试结果(S21)。由式(1)-(2)可计算出被测高频电路的单位长度损耗特性(见附图5)因此通过测试含一系列不同长度的均匀共焦波导待测件模块的总插损值，即可得到给定宽度共焦波导高频系统的总损耗值随纵向长度的分布。
需注意的是，当待测件模块置于测试平台上方时，从被测件下方口径中衍射出的电磁波在遇到测试平台表面时可能会再次被反射回开放腔体中，尤其是近截止频率工作时衍射损耗较大，并且电磁波纵向波数较小，电磁波从开口处近似垂直向下辐射，该现象尤为明显。此时可通过在测试平台合适位置布置吸波材料，并适当提高待测件模块离测试平台的距离等手段，来进一步降低测试的系统误差，提高测试精度。
以上实例只是为了说明本发明专利，通过采用不同的镜宽渐变台阶，该测试系统可用于不同长度、不同镜宽分布的共焦波导高频电路(包括均匀和非均匀结构)中任意HE0n模式传输特性的测试。

Claims (5)

1.一种共焦波导高频电路测试系统，包括网络分析仪、第一扩频模块、第二扩频模块、同轴-矩形口过渡波导、矩形-同轴口过渡波导和待测件模块，所述网络分析仪产生激励信号，激励信号进入第一扩频模块后产生工作频段的信号，通过同轴-矩形口过渡波导馈入到待测件模块，然后通过矩形-同轴口过渡波导输出到第二扩频模块，最后回到网络分析仪，由网络分析仪得到待测件模块的频率响应特性；
其特征在于：所述待测件模块为左右镜像对称结构，包括依次级联的第一TE10-HE0n模式变换器、镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构、镜宽渐变增大台阶以及第二HE0n-TE10模式变换器；
从同轴-矩形口过渡波导输入的TE10模式经过第一TE10-HE0n模式变换器变换为共焦波导HE0n模式后，通过镜宽渐变收缩台阶将第一TE10-HE0n模式变换器的输出口径渐变过渡到待测共焦波导高频电路结构的输入口径，待测共焦波导高频电路结构的输出口径通过镜宽渐变增大台阶渐变过渡到第二HE0n-TE10模式变换器的输入口径，共焦波导HE0n模式经过第二HE0n-TE10模式变换器变换回TE10模式，并通过矩形-同轴口过渡波导输出。
2.如权利要求1所述的一种共焦波导高频电路测试系统，其特征在于，所述第一TE10-HE0n模式变换器、镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构、镜宽渐变增大台阶以及第二HE0n-TE10模式变换器的上、下部分分别设置有连通的紧固螺杆通孔，两根紧固螺杆分别穿过紧固螺杆通孔将待测件模块固定，使其不发生相对位移，并且能够使多段单元结构增加、减少、重组、拆卸及安装。
3.如权利要求1所述的一种共焦波导高频电路测试系统，其特征在于，所述第一TE10-HE0n模式变换器、镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构、镜宽渐变增大台阶以及第二HE0n-TE10模式变换器相邻两结构之间设置有若干定位孔，通过定位销钉辅助定位。
4.如权利要求1所述的一种共焦波导高频电路测试系统，其特征在于，所述第一TE10-HE0n模式变换器、镜宽渐变收缩台阶、待测共焦波导高频电路结构、镜宽渐变增大台阶以及第二HE0n-TE10模式变换器的镜面按“类梯形”形状向外逐渐加宽加厚。
5.如权利要求3所述的一种共焦波导高频电路测试系统，其特征在于，所述待测件模块相邻两结构单元间设置有三个定位孔。
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