CN111180296B - 一种宽带扩展互作用放大器电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带扩展互作用放大器电路，包括：金属体以及位于金属体内部的，多个短光栅、多个长光栅、至少一边耦合腔体、输入90度弯波导、输入渐变段、输入矩形波导、输出90度弯波导、输出渐变段、输出矩形波导和电子束通道，解决了现有扩展互作用放大器的相对带宽低于0.5％的问题。
Description
技术领域
本发明属于放大器领域，具体涉及一种宽带扩展互作用放大器电路。
背景技术
真空电子器件在军事和民用领域具有极为广泛的应用，其在雷达、通信、安检成像、生物医学、航空航天、电磁能武器等系统中具有持续增长的应用需求。诚然，真空电子器件在低频率、低功率与窄带宽的应用中受到来自固态器件的挑战，但得益于其特殊的工作机理，真空电子器件在高频率、高功率、高效率和宽带宽等方面的优势尤为突出。如果真空电子放大器能在毫米波与太赫兹波段进一步提高效率和带宽，将会在与固态器件的对比中产生更大的竞争优势，扩展真空电子器件的应用范围，形成真空电子技术领域的新发展。
扩展互作用放大器(Extended Interaction Amplifier,EIA)由于其简单的平板结构，较短的电路长度和较强的性能优势，在毫米波段及太赫兹波段具有较大的研究和应用价值。EIA在提出之时就被寄予宽带宽和高效率的期望，扩展互作用结构较大的耦合阻抗为其带宽和效率的提高提供了可能。传统EIA电路通常采用若干光栅以及光栅两端的耦合腔构成的谐振系统作为基本单元，再由多个基本单元构成放大电路。对于宽带EIA来说，其电路一般由六个以上参差调谐的单元组成。这会使得电路加工，装配，测试和调谐过于复杂；此外还会造成电路过长，不利于磁聚焦。
EIA被研究者认为集合了速调管的高增益与行波管的宽带宽的优势，然而其宽带研究却迟迟未有进展。CPI公司在2006年报道了W波段3-dB带宽为2.25GHz(相对带宽2.4％)的EIA，由于CPI没有透漏技术细节，研究者对其如何取得该带宽提出了各种方案，但是这些方案的相对带宽普遍低于0.5％。
现有的宽带EIA研究的共同点是使用单个工作模式(π模或2π模)，这样就限制了带宽的进一步提升。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种宽带扩展互作用放大器电路解决了现有扩展互作用放大器的相对带宽低于0.5％的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种宽带扩展互作用放大器电路，包括：金属体以及位于金属体内部的，多个短光栅、多个长光栅、至少一边耦合腔体、输入90度弯波导、输入渐变段、输入矩形波导、输出90度弯波导、输出渐变段、输出矩形波导和电子束通道；
所述短光栅和长光栅交替排列，构成参差光栅电路；
所述短光栅和长光栅交替排列后，它们的一端与耦合腔体连通；
所述输入90度弯波导的一端与耦合腔体的一端连接，其另一端与输入渐变段的小端连接；
所述输入渐变段的大端与输入矩形波导连接；
所述输出90度弯波导的一端与耦合腔体的另一端连接，其另一端与输出渐变段的小端连接；
所述输出渐变段的大端与输出矩形波导连接；
所述电子束通道穿过参差光栅电路。
进一步地：电子束通道的一端连接电子光学系统，其另一端连接收集极。
进一步地：长光栅与短光栅的长度或宽度比为α。
进一步地：耦合腔体的长为32mm，宽为4.6mm，高为1.4mm。
进一步地：短光栅的长为3.8mm，宽为4.6mm，高为0.6mm。
进一步地：长光栅的长为7.6mm，宽为4.6mm，高为0.6mm。
进一步地：相邻长光栅与短光栅之间的距离为1.2mm。
本发明的有益效果为：与传统的扩展互作用放大器相比，本发明的宽带扩展互作用放大器电路可工作在多个模式下，在毫米波以及太赫兹波段实现了大于2％相对带宽，其结构新颖、简单易加工。整个系统具有小型化、轻量化、易集成的优点。可单独作为一段宽带扩展互作用放大器工作，也可以作为宽带扩展互作用放大器的输入、输出和中间腔。
附图说明
图1为单耦合腔体情况下一种宽带扩展互作用放大器电路沿电子束通道的剖视图；
图2为单耦合腔体情况下一种宽带扩展互作用放大器电路的整体结构示意图；
图3为单耦合腔体情况下一种宽带扩展互作用放大器电路沿电子束通道垂直方向上的剖视图；
其中：1、短光栅；2、长光栅；3、耦合腔体；4、输入90度弯波导；5、输入渐变段；6、输入矩形波导；7、输出90度弯波导；8、输出渐变段；9、输出矩形波导；10、电子束通道。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，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。
如图1～2所示，一种宽带扩展互作用放大器电路，包括：金属体以及位于金属体内部的，多个短光栅、多个长光栅、至少一边耦合腔体3、输入90度弯波导4、输入渐变段5、输入矩形波导6、输出90度弯波导7、输出渐变段8、输出矩形波导9和电子束通道10，这些结构为金属体内的空腔；
所述短光栅1和长光栅2交替排列，构成参差光栅电路；
所述短光栅1和长光栅2交替排列后，它们的一端与耦合腔体3连通；
所述输入90度弯波导4的一端与耦合腔体3的一端连接，其另一端与输入渐变段5的小端连接；
所述输入渐变段5的大端与输入矩形波导6连接；
所述输出90度弯波导7的一端与耦合腔体3的另一端连接，其另一端与输出渐变段8的小端连接；
所述输出渐变段8的大端与输出矩形波导9连接；
所述电子束通道10穿过参差光栅电路。
电子束通道10的一端连接电子光学系统，其另一端连接收集极。
输入电路为：输入90度弯波导4、输入渐变段5和输入矩形波导6；
输出电路为：输出90度弯波导7、输出渐变段8和输出矩形波导9；
输入渐变段5和输出渐变段8均为喇叭形或梯形台阶。
输入电路和输出电路延长了耦合腔体3的长度。
长光栅2与短光栅1的长度或宽度比为α。
参差光栅电路与未参差光栅电路在π模附近的色散特性有极大不同，光栅的参差制造了一个新的通带。相比于未参差光栅电路，参差光栅电路的π模附近模式的模式间隔变大，形成了一个类似行波的行波段，并且该通带随着α变大而增大。这为带宽拓展提供了基础。
电子束通道10的一端连接电子光学系统，其另一端连接收集极。
在本实施例中，以Ka波段电路，耦合腔体3的长为32mm，宽为4.6mm，高为1.4mm。
短光栅1的长为3.8mm，宽为4.6mm，高为0.6mm。
长光栅2的长为7.6mm，宽为4.6mm，高为0.6mm。
相邻长光栅2与短光栅1之间的距离为1.2mm。
短光栅1和长光栅2的数量为41，α为2，电压为18.6kV，该电路的1-dB带宽为0.22GHz，3-dB带宽为0.4GHz，在中心频率34.08GHz的输出功率为1kW，增益为33dB，效率为10.2％。在α为2.33，电压为17.2kV时该电路的3-dB带宽接近2％。增大α，增加光栅数，可以使本发明电路的带宽和增益进一步提升。
上述均在描述具备一边耦合腔体3和光栅gy的参差的情况，当多个短光栅和多个长光栅结构部分具有两个耦合腔体3的情况时，即光栅位于两个耦合腔体3之间的结构，此时对应的参差是gx的参差。
本发明所描述的短光栅1、长光栅2和耦合腔体3构成的电路既可以由光栅和单边耦合腔构成，也可以由光栅和上下两个耦合腔构成。前者对应gx或gy的参差，后者对应gx的参差，如图3所示。
本发明所描述光栅之间的距离可以相同也可以沿着电子注传播的方向逐渐减小，逐渐减小的周期长度可以提高注波互作用效率。
本发明的有益效果为：与传统的扩展互作用放大器相比，本发明的宽带扩展互作用放大器电路可工作在多个模式下，在毫米波以及太赫兹波段实现了大于2％相对带宽，其结构新颖、简单易加工。整个系统具有小型化、轻量化、易集成的优点。可单独作为一段宽带扩展互作用放大器工作，也可以作为宽带扩展互作用放大器的输入、输出和中间腔。
Claims (6)
1.一种宽带扩展互作用放大器电路，其特征在于，包括：金属体以及位于金属体内部的，多个短光栅、多个长光栅、至少一边耦合腔体(3)、输入90度弯波导(4)、输入渐变段(5)、输入矩形波导(6)、输出90度弯波导(7)、输出渐变段(8)、输出矩形波导(9)和电子束通道(10)；
所述短光栅(1)和长光栅(2)交替排列，构成参差光栅电路；
所述短光栅(1)和长光栅(2)交替排列后，它们的一端与耦合腔体(3)连通；
所述输入90度弯波导(4)的一端与耦合腔体(3)的一端连接，其另一端与输入渐变段(5)的小端连接；
所述输入渐变段(5)的大端与输入矩形波导(6)连接；
所述输出90度弯波导(7)的一端与耦合腔体(3)的另一端连接，其另一端与输出渐变段(8)的小端连接；
所述输出渐变段(8)的大端与输出矩形波导(9)连接；
所述电子束通道(10)穿过参差光栅电路。
2.根据权利要求1所述的宽带扩展互作用放大器电路，其特征在于，所述电子束通道(10)的一端连接电子光学系统，电子束通道(10)的另一端连接收集极。
3.根据权利要求1所述的宽带扩展互作用放大器电路，其特征在于，所述耦合腔体(3)的长为32mm，宽为4.6mm，高为1.4mm。
4.根据权利要求1所述的宽带扩展互作用放大器电路，其特征在于，所述短光栅(1)的长为3.8mm，宽为4.6mm，高为0.6mm。
5.根据权利要求1所述的宽带扩展互作用放大器电路，其特征在于，所述长光栅(2)的长为7.6mm，宽为4.6mm，高为0.6mm。
6.根据权利要求1所述的宽带扩展互作用放大器电路，其特征在于，相邻的长光栅(2)与短光栅(1)之间的距离为1.2mm。
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