CN111063594B - 一种行波管混合慢波系统及其设计方法 - Google Patents

一种行波管混合慢波系统及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种行波管混合慢波系统。该慢波系统包括输入侧螺旋线慢波结构和输出侧折叠波导慢波结构，所述螺旋线慢波结构通过内导体波导转换结构与所述折叠波导慢波结构耦合。本发明充分利用螺旋线慢波线良好的带宽、传输特性和折叠波导慢波线的功率容量大、散热性能好的特点，设计出传输匹配特性好、输出功率大的行波管，满足了行波管放大器件小型化、紧凑型和一体化要求，同时实现了更大的功率容量和更好的散热特性。

Description

一种行波管混合慢波系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种毫米波段的适用于毫米波空间行波管的行波管混合慢波系统及其设计方法。
背景技术
面对Ku以下波段频谱资源日趋紧张，微波器件向更高频率扩展是当今微波技术发展的必然方向，以毫米波(30GHz-300GHz)作为传输信息载体进行通信将成为今后空间微波器件应用的主要波段，目前绝大多毫米波器件应用研究主要集中在35GHz、45GHz、94GHz、140GHz及220GHz五个“大气窗口”和60GHz、120GHz及180GHz三个“衰减峰”上，在这些特殊频段附近，“大气窗口”频段毫米波受到大气衰减影响较小，适用于地空点对点通信，带宽范围极广，数据传输速率极快；而在“衰减峰”附近大气衰减出现极大值，这些频段通常被军事网络或星间卫星通信系统优先选用，安全保密性能高，电子对抗性强。
行波管作为微波放大器广泛应用于雷达、通讯、电子战等电子装备中。行波管作为一种重要的真空电子器件，主要包括五个关键部件，分别是电子枪组件、高频慢波系统、磁聚焦系统、收集极以及输能装置。行波管工作原理是利用电子枪阴极发射出来的电子注与电磁场发生互作用，电子注产生群聚现象并进行能量交换，将一部分电子能量转化成微波能量进行输出，实现信号放大功能。在螺旋线行波管具有宽频带、高效率、高增益等优势。例如，现有技术通常采用螺旋线相速渐变结构来提高耦合效率进而实现行波管的大功率输出。但是，螺旋线行波管也存在功率容量小、损耗大、散热性能差的不足。随着使用微波器件的电子装备向着大功率、高效率和小型化的发展，如何降低微波器件的损耗、提高增益和效率和改善散热性能，成为微波器件研发中需要解决的首要问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种频带宽、传输特性好、功率容量大且散热性能好的行波管慢波结构。
根据本发明的一个方面，提供一种行波管混合慢波系统，该慢波系统包括输入侧螺旋线慢波结构和输出侧折叠波导慢波结构，所述螺旋线慢波结构通过内导体波导转换结构与所述折叠波导慢波结构耦合。
优选地，螺旋线慢波结构的输入端用作慢波结构的输入端，输出端与所述内导体波导转换结构的内导体端连接；折叠波导慢波结构的输入端与所述内导体波导转换结构的波导端耦合，输出端用作混合慢波结构的输出端。
优选地，所述内导体波导转换结构包括与所述螺旋线连接的金属内导体和位于波导腔内与金属内导体连接的阶梯渐变匹配金属块。
优选地，所述内导体波导转换结构的驻波比为1.1-1.5。
优选地，所述内导体波导转换结构大体垂直于慢波结构轴向设置，高度为4-15mm。
优选地，该慢波系统进一步包括设置在螺旋线第一端和第二端之间的切断，位于切断至少一侧的衰减器。
优选地，该慢波系统包括与内导体波导转换结构对应的电子注通道结构，螺旋线慢波结构的电子注通道直径小于等于电子注通道结构的电子注通道直径小于等于折叠波导慢波结构的电子注通道直径，小于螺旋线慢波结构的管壳直径。
根据本发明的另一方面，提供一种行波管，该行波管包括电子枪、磁聚焦系统和收集极，以及如上所述的行波管慢波系统。
优选地，所述行波管是毫米波行波管，工作频段为30-50GHz。
根据本发明的再一方面，提供一种根据如上所述行波管混合慢波系统的设计方法，该方法包括：
根据所述行波管的工作频段，分别初步确定螺旋线慢波结构的结构尺寸和折叠波导慢波结构的结构尺寸；
分别计算螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构的色散曲线、耦合阻抗，通过使所述螺旋线慢波结构和所述折叠波导慢波结构的基波相速匹配，优化所述螺旋线慢波结构和所述折叠波导慢波结构的结构尺寸；以及将行波管混合慢波系统驻波比最小时对应的螺旋线慢波结构和所述折叠波导慢波结构的结构尺寸确定为该慢波系统的结构尺寸。
本发明的有益效果
根据本发明的包括螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构的行波管混合慢波系统，毫米波信号在输入螺旋线慢波结构内与电子束产生互作用，通过相速同步，毫米波信号能量交换给电子束，电子束能量交换给毫米波正向的基波信号使其进行一部分功率放大，再通过内导体波导转换结构将部分已经放大的基波信号传递到折叠波导结构中。通过对结构尺寸的优化设计，整个慢波系统的驻波系数在工作频带30GHz-40GHz范围内，驻波系数小于1.2，具备优良的传输匹配特性，降低反射损耗，使放大后的基波信号更多地传递到折叠波导慢波结构中，失能电子束继续在轴向通过折叠波导结构继续与基波信号发生互作用，将剩余电子束能量更多的传递给基波信号，继续增大的基波信号的输出功率至百瓦量级以上。本发明的行波管混合慢波系统满足了行波管放大器件小型化、紧凑型和一体化要求，同时实现了更大的功率容量和更好的散热特性。
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示出根据本发明实施方式的行波管慢波系统的示意图；
图2示出根据本发明实施方式的螺旋线慢波结构的结构剖面图；
图3示出根据本发明实施例的内导体波导转换结构示意图；
图4示出根据本发明实施方式的行波管的工作原理示意图；
图5示出根据表面优选实施例的驻波比曲线；
图6示出根据本发明优选实施例的行波管慢波系统的色散曲线示意图；
图7示出根据本发明优选实施例的行波管慢波系统的耦合阻抗示意图；
图8示出根据本发明优选实施例的行波管慢波系统的时间电压关系图；
图9示出根据本发明实施方式的行波管慢波系统的工作温度分布图；
图10示出本发明对比例的螺旋线结构输出端的工作温度分布图。
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。
图1示出根据本发明的本发明实施方式的行波管混合慢波系统的示意图。行波管慢波系统100包括沿行波管电子注行进方向排列的位于输入侧的螺旋线慢波结构110和位于输出侧的折叠波导慢波结构120，用于将螺旋线慢波结构110的信号传输至折叠波导慢波结构120的内导体波导转换结构130，以及与转换结构对应的电子注通道结构140。螺旋线慢波结构的输入端用作慢波结构的输入端111，输出端通过同轴换能结构与所述内导体转换波导转换结构的内导体端连接。折叠波导慢波结构的输入端与所述内导体波导转换结构的波导端耦合，输出端用作混合慢波结构的输出端121。电子枪发射的电子注沿螺旋线慢波结构行进，通过螺旋线慢波结构后，将一部分能量传递给内导体波导转换结构，再传递到折叠波导慢波结构中。可理解的是，该内导体波导转换结构可为同轴波导转换结构，或者为不同轴波导转换结构，本发明对此不作进一步限制。剩余电子注能量经过设置在螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构之间的电子注通道结构，行进至折叠波导慢波结构的电子注通道与微波信号继续发生电子注-毫米波信号互作用，进一步将剩下的电子注能量交换给毫米波信号得到放大。在混合高频慢波线的轴向上加周期磁聚焦系统用于维持电子注并充分发生电子注微波互作用交换能量，实现毫米波微波信号输出功率放大功能，失能后的电子注通过收集极进行电子回收，经放大的信号由输出端121输出。
图2示出本发明的螺旋线慢波结构110的剖视图。螺旋线慢波结构包括管壳101、螺旋线102和夹持杆103。根据本发明的一个实施例，螺旋线慢波结构中形成有切断104，见图1，切断区的长度优选为(1/2-3/2)λ，λ为该行波管工作波长。该切断将螺旋线慢波结构分为输入螺旋线结构和输出螺旋线结构。在切断区的至少一侧设置集中衰减器，用于衰减微波沿高频慢波结构反馈而引起自激振荡。
图3示出根据本发明一个实施例的内导体波导转换结构示意图。内导体波导转换结构包括与螺旋线结构输出端耦合的内导体端和与折叠波导输入端耦合的波导端，用于将螺旋线慢波结构的毫米波信号传输到折叠波导慢波结构。具体地，转换结构包括杆状金属内导体301、匹配金属块302和波导腔303，金属内导体和匹配金属块均设置在波导腔中。在一种具体示例中，匹配金属块为阶梯渐变金属块。根据本发明的实施例，转换结构自内导体端部起的高度转换结构与慢波结构轴向成角度设置，优选地，转换结构大体垂直于慢波结构的轴向设置。根据本发明的混合慢波系统在能量传输过程中，需要进行输能匹配优化，即设计内导体波导转换结构的尺寸参数，将系统驻波系数降低，减少反射损耗，有利于输出更大的毫米波功率。根据本发明的优选实施例，将转换结构自内导体端点起的高度h设置为4-15mm，内导体波导转换结构的驻波比为1.1-1.5，可以实现螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构良好的输出驻波匹配。
与转换结构的长度对应，在螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构之间设置电子注通道结构。本发明中，螺旋线结构的电子注通道直径小于等于电子注通道结构的电子注通道直径小于等于折叠波导慢波结构的电子注通道的直径小于螺旋线结构的管壳直径。优选地，螺旋线慢波结构的管壳与电子注通道结构、以及折叠波导慢波结构形成为一体，从而实现一体化。例如将一体形成的管壳、电子注通道结构和折叠波导慢波结构沿电子注行进的方向分成两到三部分，通过装配夹持杆和螺旋线并将分割的一体化结构组装为一体，通过焊接得到螺旋线慢波结构、电子注通道结构和折叠波导慢波结构的一体化结构，从而可有效减小行波管慢波系统的体积，实现慢波系统小型化、紧凑型和一体化的要求。
本发明的另一个实施方式提供一种行波管，如图1-4所示，该行波管包括电子枪410、混合慢波系统420和收集极430。该行波管进一步包括磁聚焦系统。电子枪410用于向混合慢波系统发射电子注，慢波系统采用如上所述的混合慢波系统。磁聚焦系统用于维持行波管内的电子注形状，同时保持电子注的高流通率，使电子注能够产生群聚现象并进行能量交换。磁聚焦系统采用永磁体构成共用的周期永磁聚焦系统分别为螺旋线慢波结构、折叠波导慢波结构30提供磁聚焦场。通过螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构共用同一个磁聚焦系统，可结合两者优势从而实现EHF波信号放大功能；同时通过共用磁聚焦系统的方式缩小了行波管慢波系统的体积，实现信号放大稳定输出的功能。根据本发明的行波管混合慢波系统中，螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构共用一个电子枪和一个收集极。输入侧输能装置，例如同轴换能结构，耦合螺旋线慢波结构的输入端，使输入信号进入慢波系统，输出侧输能装置例如为波导换能结构输出经放大的输出信号。剩余失去能量的电子注将通过折叠波导慢波结构的电子通道出口进入收集极进行回收。根据本发明的行波管通过将不同的慢波结构通过共用电子枪、收集极和输能装置集成一套联动系统，可满足行波管放大器件小型化、紧凑型和一体化要求，同时实现大功率的输出。优选地，该行波管的工作频段为30～50GHz。在该工作频段内，螺旋线慢波结构的工作电压合适且耦合阻抗相对折叠波导结构较高，具有高增益、高效率、体积重量小等优点；而折叠波导慢波结构具有简单易加工成型，功率容量大且易匹配等优点，通过结构尺寸的优化，可使得两种不同结构的慢波系统具有良好的传输匹配特性，驻波比小于1.2。
本发明的进一步实施方式提供一种如上所述行波管混合慢波系统的设计方法。该方法包括，根据所述行波管的工作频段，分别初步确定螺旋线慢波结构的结构尺寸和折叠波导慢波结构的结构尺寸；分别计算螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构的色散曲线、耦合阻抗，通过优化所述螺旋线慢波结构的结构尺寸和所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使所述螺旋线慢波结构和所述折叠波导慢波结构的基波相速匹配，两种结构的色散曲线进行匹配且耦合阻抗相对较高，以利于进行分段的电子注-毫米波信号互作用。将行波管混合慢波系统驻波比最小时对应的螺旋线慢波结构和所述折叠波导慢波结构的结构尺寸确定为该慢波系统的结构尺寸。
根据本发明的一个优选实施例，采用螺旋线慢波结构与折叠波导慢波结构结合的混合慢波系统，螺旋线慢波结构尺寸为0.1×0.2mm，电子通道内径0.3mm，管壳内径1.7～2.3mm，螺距范围0.5mm；螺旋线切断区的长度为行波管的工作波长；折叠波导慢波结构尺寸为5×3mm，周期长度1.5mm，电子通道内径0.5-0.6mm，实现基波相速匹配。内导体波导转换结构的结构尺寸与螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构对应，高度为6mm，使整个慢波结构的驻波系数在工作频带35GHz-42GHz范围内，驻波系数小于1.2，如图5所示，具备优良的传输匹配特性，降低的反射损耗，增大的基波信号的输出功率至百瓦量级以上。
图6分别示出了该实施例混合慢波系统中螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构的色散曲线。通过使毫米波信号与螺旋线慢波结构发生互作用后继续与折叠波导慢波结构进行互作用，在色散曲线上螺旋线相速与折叠波导结构相速在工作频带内平坦且相差不大，实现了电子注与毫米波信号同步。图7分别示出了混合慢波系统中螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构的耦合阻抗。耦合阻抗需要尽量提高，以追求更高的输出功率。从图中可以看出，该实施例的慢波系统，在频率为35GHz左右时输入段螺旋线慢波结构和部分输出段的折叠波导慢波结构可以达到耦合阻抗匹配和相速匹配条件。
图8是根据上述实施例的混合慢波系统，在工作频率为35GHz时，在毫米波工作频段利用微波工作室套装软件(CST2011)仿真得到的时间与电压关系图。图中可以看到在输入信号经过4.7ns时长，在本发明的变形混合慢波结构传输后，输出信号的电压幅值稳定达到16.9V，根据电压与功率的关系即得输出功率为142.8W，因此本发明实例实现了毫米波信号的大功率输出。
利用ANSYS16.1仿真，根据上述实例的混合慢波系统的输出功率在35GHz处可以达到输出142.8W，图9示出的热分布图显示最高温度到达176.16℃。以同尺寸下30W输出的螺旋行波管作为对比例，如图10所示，利用ANSYS16.1仿真得到输出功率30W的螺旋线结构最高温度超过了667.2℃。可以看出，本发明的混合慢波结构散热性能更好，输出端温度更低。
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 (9)

1.一种行波管混合慢波系统，其特征在于，该慢波系统包括输入侧螺旋线慢波结构和输出侧折叠波导慢波结构，所述螺旋线慢波结构通过内导体波导转换结构与所述折叠波导慢波结构耦合；
该慢波系统进一步包括设置在螺旋线慢波结构第一端和第二端之间的切断，位于切断至少一侧的衰减器。
2.根据权利要求1所述的行波管混合慢波系统，其特征在于，螺旋线慢波结构的输入端用作行波管混合慢波系统的输入端，输出端与所述内导体波导转换结构的内导体端连接；折叠波导慢波结构的输入端与所述内导体波导转换结构的波导端耦合，输出端用作行波管混合慢波系统的输出端。
3.根据权利要求1所述的行波管混合慢波系统，其特征在于，所述内导体波导转换结构包括与所述螺旋线慢波结构连接的金属内导体和位于波导腔内与金属内导体连接的阶梯渐变匹配金属块。
4.根据权利要求3所述的行波管混合慢波系统，其特征在于，所述内导体波导转换结构的驻波比为1.1-1.5。
5.根据权利要求3所述的行波管混合慢波系统，其特征在于，所述内导体波导转换结构垂直于折叠波导慢波结构轴向设置，高度为4-15mm。
6.根据权利要求1所述的行波管混合慢波系统，其特征在于，该慢波系统包括与内导体波导转换结构对应的电子注通道结构，螺旋线慢波结构的电子注通道直径小于等于电子注通道结构的电子注通道直径小于等于折叠波导慢波结构的电子注通道直径，螺旋线慢波结构的电子注通道直径小于螺旋线慢波结构的管壳直径。
7.一种行波管，包括电子枪、慢波系统、磁聚焦系统和收集极，其特征在于，所述慢波系统为根据权利要求1-6任一项权利要求所述的行波管混合慢波系统。
8.根据权利要求7所述的行波管，其特征在于，所述行波管是毫米波行波管，工作频段为30-50GHz。
9.一种根据权利要求1所述的行波管混合慢波系统设计方法，其特征在于，该方法包括：
根据所述行波管的工作频段，分别初步确定螺旋线慢波结构的结构尺寸和折叠波导慢波结构的结构尺寸；
分别计算螺旋线慢波结构和折叠波导慢波结构的色散曲线、耦合阻抗，通过使所述螺旋线慢波结构和所述折叠波导慢波结构的基波相速匹配，优化所述螺旋线慢波结构和所述折叠波导慢波结构的结构尺寸；
以及将行波管混合慢波系统驻波比最小时对应的螺旋线慢波结构和所述折叠波导慢波结构的结构尺寸确定为该慢波系统的结构尺寸。
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