CN110719683B - 一种直线加速管波导耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种直线加速管波导耦合器，包括圆柱耦合腔(101)和环绕圆柱耦合腔(101)的一个弯曲矩形波导(102)，所述弯曲矩形波导(102)通过N个矩形耦合孔(103)与圆柱耦合腔(101)耦合，弯曲矩形波导(102)通过输入矩形波导(104)馈入，输入矩形波导(104)处放置一个用于匹配调节的电感金属圆柱(105)；圆柱耦合腔(101)的一个底面通过一个圆孔(106)与加速管的加速腔耦合，另一个底面中心开一圆孔作为束流孔(107)。本发明采用直接激励圆波导耦合腔中TM01模式的方法，实现了波形转换，其具有宽带宽的同时，也能够减小耦合腔中场不对称性，减小对束流的副作用，且具有高的功率容量。

Description

一种直线加速管波导耦合器
技术领域
本发明属于加速器技术领域，涉及一种直线加速管波导耦合器。
背景技术
耦合器是电子直线加速管的重要组成部分，耦合器是矩形波导和圆形加速管之间的连接部件，主要起两个作用，第一个是实现标准矩形波导与加速腔间的阻抗匹配，使微波功率能以尽可能小的反射馈入加速管，或将加速管的剩余功率耦合到与输出波导相连接的干负载中；第二个作用是使矩形波导中的TE10型波转换为盘荷波导(加速管)中的TM01波形。对于耦合器应该满足如下几点要求：第一，与加速管有很好的匹配，以利于耦合进最大的功率，来达到最大的加速梯度。第二，工作频率与加速管的工作频率一致。第三，对束流要有小的副作用。第四，耦合器的表面场应该尽可能不高于加速管内部场。
目前，比较常用的是单边耦合器，其结构如图1(a)(b)所示。这种单边耦合器一般由标准的矩形波导、楔形波导和耦合腔组成。微波能量是由楔形波导与耦合腔之间的耦合孔馈入的。因为加速管相当于圆形波导，所以加速电场和相位在加速管中是旋转对称的，而耦合腔的开孔破坏了耦合腔的旋转对称性，使得电场和相位在耦合腔内的旋转对称性受到削弱。单边耦合器结构不对称性引起的场振幅梯度和相位梯度对束流品质会产生很大的影响。所以单边耦合器采用了偏心法的设计，即将耦合腔的中心与加速腔的中心不在一条直线上。
另一种是采用在圆耦合腔侧壁开两个对称耦合孔的馈电方式，主要是为了改善结构不对称性，见图2。
无论是单边馈电方式还是双边对称馈电方式，在工作频率下，除TM01能够被激励起来外，其它耦合腔圆波导中不被截止的模式，例如TE11模也能够被激励起来。为了消除掉TM01模外的其它模式，需要耦合腔满足TM01模谐振，通过谐振的方法抑制掉其它非工作模式。依靠耦合腔的谐振方法进行模式转换，此种方法工作带宽窄，调谐困难，加工精度要求高。
文献(Fowkers W R,Callin R S,Jongewaard E N,et al.Large diameterreduced field TE01 traveling wave window for X-band[C].Proceedings of the1999Particle Accelerator Conference.1999:783-785.)采用6臂环绕耦合形式实现矩形TE10模至圆波导TE01模的模式转换，其具体结构如图3所示。其抑制除TE01模之外的其它模式，无法实现矩形TE10模至圆波导TM01模的转换。而圆波导TM01模是加速管的工作模式，因此图3中的结构无法用作加速管耦合器。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种加速管波导耦合器器件，具有带宽宽的优点，同时耦合腔中场不对称性小，也具有更高的功率容量。
本发明的技术解决方案是：一种直线加速管波导耦合器，包括圆柱耦合腔和环绕圆柱耦合腔的一个弯曲矩形波导，所述弯曲矩形波导通过N个矩形耦合孔与圆柱耦合腔耦合，弯曲矩形波导通过输入矩形波导馈入，输入矩形波导处放置一个用于匹配调节的电感金属圆柱；圆柱耦合腔的一个底面通过一个圆孔与加速管的加速腔耦合，另一个底面中心开一圆孔作为束流孔。
所述的弯曲矩形波导弯曲方式是为沿窄边弯曲的H面弯曲。
所述的矩形耦合孔的窄边与圆柱耦合腔的轴线平行。
相邻的两个所述矩形耦合孔之间沿弯曲矩形波导中心线的距离等于弯曲矩形波导中传输微波的波导波长的整数倍。
所述的矩形耦合孔的尺寸满足矩形波导TE10模的传输条件，即矩形耦合孔长边尺寸大于工作波长的二分之一。
所述的N大于等于3。优选取值为3或者4。
所述的输入矩形波导与弯曲矩形波导垂直互连，且输入矩形波导的宽边与弯曲矩形波导的弯曲平面平行，输入矩形波导的窄边与弯曲矩形波导的轴线平行。
所述的输入矩形波导与弯曲矩形波导的连接中心距相邻两耦合孔的距离相等。
所述的圆柱耦合腔半径使工作频率下TE31模式截止。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的加速管波导耦合器，通过三个相同的耦合孔进行激励圆波导TM01模式的方法，实现了高效率的模式转换。与依靠耦合腔的谐振进行模式转换的方法比，采用该方法的耦合器带宽更宽；
(2)本发明的加速管波导耦合器，采用多孔激励TM01模式的方法，能够减小耦合腔中场不对称性，减小了对束流的干扰；
(3)本发明的加速管波导耦合器，采用多孔耦合结构，降低了单孔耦合孔处的电场强度，提高了耦合器的功率容量。尤其在较高工作频率的加速器中，高功率容量的耦合器更加具有优势。
附图说明
图1为现有的单边耦合器结构示意图；
图2为现有的双边耦合器结构示意图；
图3为6臂环绕耦合矩形TE10模至圆波导TE01模模式转换器结构示意图；
图4为本发明的耦合器结构示意图；
图5为图4的AA向视图。
具体实施方式
本发明采用抑制其它模式而直接激励圆波导TM01模式的方法设计耦合结构。
如图4、图5所示，本发明的直线加速管波导耦合器，包括圆柱耦合腔101和环绕圆柱耦合腔101的一个弯曲矩形波导102。弯曲矩形波导102弯曲方式是为沿窄边弯曲的H面弯曲。此环绕圆柱耦合腔101的弯曲矩形波导102通过N个矩形耦合孔103与圆柱耦合腔101耦合。矩形耦合孔103窄边与圆柱耦合腔101轴线平行。矩形耦合孔103的尺寸满足矩形波导TE10模的传输条件，即矩形耦合孔103长边尺寸大于工作波长的二分之一。相邻的两个矩形耦合孔103之间沿弯曲矩形波导102中心线的距离等于弯曲矩形波导102中传输微波的波导波长的整数倍。
弯曲矩形波导102通过输入矩形波导104馈入。输入矩形波导104的与弯曲矩形波导102垂直互连，且输入矩形波导104的宽边与弯曲矩形波导102的弯曲平面平行，输入矩形波导104的窄边与弯曲矩形波导102的轴线平行。输入矩形波导104与弯曲矩形波导102的连接中心距相邻两耦合孔的距离相等。
输入矩形波导104处放置一个电感金属圆柱105用于匹配调节。
圆柱耦合腔101一个底面通过一中心圆孔106与加速管的加速腔耦合，另一底面中心开一中心圆孔为束流孔107。
图5中，环绕圆柱耦合腔101的弯曲矩形波导102通过3个均布的矩形耦合孔103与圆柱耦合腔101耦合，也就是说这3个用于耦合的矩形耦合孔103间隔120度排列。相邻的两个矩形耦合孔103之间沿弯曲矩形波导102中心线的距离等于弯曲矩形波导102中传输微波的波导波长的整数倍。
当然，在实际应用过程中，具体矩形耦合孔103的数量不限于3个，设其为N，那么N取大于等于3的整数，用于保证模式纯度。N优选3或4，N大于3时，虽可保证模式纯度，但是会增加系统体积和复杂度，并且由于尺寸限制，圆波导耦合腔四周难以有足够的空间排列。
具体设计时，首先选取圆柱耦合腔101半径使工作频率下TE31模式截止。这样圆柱耦合腔101圆波导中最多可以传输的模式有TE11、TM01、TE21、TE01和TM11模。环绕圆柱耦合腔101的弯曲矩形波导102通过至少3个矩形耦合孔103与圆柱耦合腔101的侧壁耦合，矩形耦合孔103的长边沿圆周方向，即矩形耦合孔103窄边与圆柱耦合腔101的轴线平行。通过调整弯曲矩形波导102的弯曲半径，使相邻的两个矩形耦合孔103之间沿弯曲矩形波导102中心线的距离等于弯曲矩形波导102中传输微波的波导波长的整数倍，此时这些矩形耦合孔103内电磁场相位一致。根据对称性，耦合腔圆波导中能够被激励起的模式只有TM01模式，而其它能够传输的模式会被抑制。这样就实现了矩形TE10模到圆形TM01模式之间的转换。
本发明的工作原理如下：
如图4、5所示，当微波能量以矩形波导TE10模式从输入矩形波导104输入后，进入弯曲矩形波导102中以TE10模式传输，然后通过矩形耦合孔103进入到圆柱耦合腔101中。矩形耦合孔103间距是弯曲矩形波导102在工作频率下波导波长的整数倍，所以三个矩形耦合孔103处的电磁场相位一致，所以在圆柱耦合腔101的圆波导中只有TM01模式被激励起来，而其它模式都被抑制掉而不会激励起来，这样就实现了波形转换。而匹配可以通过在输入矩形波导104处放置一个电感金属圆柱105达到。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种直线加速管波导耦合器，其特征在于：包括圆柱耦合腔(101)和环绕圆柱耦合腔(101)的一个弯曲矩形波导(102)，所述弯曲矩形波导(102)通过N个矩形耦合孔(103)与圆柱耦合腔(101)耦合，弯曲矩形波导(102)通过输入矩形波导(104)馈入，输入矩形波导(104)处放置一个用于匹配调节的电感金属圆柱(105)；圆柱耦合腔(101)的一个底面通过一个圆孔(106)与加速管的加速腔耦合，另一个底面中心开一圆孔作为束流孔(107)；
所述的弯曲矩形波导(102)弯曲方式是为沿窄边弯曲的H面弯曲；所述的矩形耦合孔(103)的窄边与圆柱耦合腔(101)的轴线平行；
所述的矩形耦合孔(103)的尺寸满足矩形波导TE10模的传输条件，即矩形耦合孔(103)长边尺寸大于工作波长的二分之一；
所述的圆柱耦合腔(101)半径使工作频率下TE31模式截止；
相邻的两个所述矩形耦合孔(103)之间沿弯曲矩形波导(102)中心线的距离等于弯曲矩形波导(102)中传输微波的波导波长的整数倍。
2.根据权利要求1所述的一种直线加速管波导耦合器，其特征在于：所述的N大于等于3。
3.根据权利要求2所述的一种直线加速管波导耦合器，其特征在于：所述的N取值为3或者4。
4.根据权利要求1所述的一种直线加速管波导耦合器，其特征在于：所述的输入矩形波导(104)与弯曲矩形波导(102)垂直互连，且输入矩形波导(104)的宽边与弯曲矩形波导(102)的弯曲平面平行，输入矩形波导(104)的窄边与弯曲矩形波导(102)的轴线平行。
5.根据权利要求1所述的一种直线加速管波导耦合器，其特征在于：所述的输入矩形波导(104)与弯曲矩形波导(102)的连接中心距相邻两耦合孔的距离相等。
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