CN111293015B - 一种紧凑型回旋行波管输入系统 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种紧凑型回旋行波管输入系统，涉及微波、毫米波器件技术领域。为了减小输入系统尺寸，进而减小回旋管整体尺寸，本发明提出一种紧凑型输入系统的设计方案。与其他类型的输入系统结构相比，本设计方案提出的输入系统采用单片扭波导结构将H面弯波导转换为E面弯波导，将输入系统的横向尺寸极大的减小，并且在7.45‑8.95GHz范围内实现S11<‑10dB，S21>0.45dB，完全满足回旋行波管设计的需求。

Description

一种紧凑型回旋行波管输入系统
技术领域
本发明涉及微波、毫米波器件技术领域，一种紧凑型宽带回旋管输入系统的设计。
背景技术
传统的微波管向毫米波及亚毫米波发展时，需要更小的尺寸，加工难度增加，并且随着功率密度的加大，对材料、结构有更为苛刻的要求。基于电子回旋脉塞受激辐射机理的回旋行波管克服了这一系列难题。回旋行波管在毫米波段、亚毫米波段振荡和放大上具有卓越的性能，为毫米波、亚毫米波在雷达、通信、电子战、高功率微波武器、受控热核聚变、新型材料及高能物理等领域的应用开辟了广阔的前景，因此得到了快速的发展。回旋行波管由电子枪、高频互作用系统、收集极和电磁能量输入、输出系统构成。作为一种功率放大器，回旋行波管需连接信号源作为其前级输入驱动，输入系统便是将前级输入驱动信号注入到回旋行波管高频互作用系统的关键部件。输入系统的设计要求是将微波信号的能量在低反射、宽频带的情况下很好地耦合到回旋行波管的波导结构中。在实际工程应用中，回旋行波管需放置在特定的磁体系统的中心温孔中，由于磁体温孔的孔径限制，输入系统的结构需要紧凑。
回旋行波管的输入系统包含输入窗与输入耦合器。回旋行波管内部的高频互作用区域是工作于真空环境的，输入窗的作用是将回旋行波管的真空工作环境与空气隔绝。输入耦合器的作用是将矩形波导TE10模转换为回旋行波管中的工作模式，它是一个三端口的器件，包含一个矩形波导端口和两个圆波导端口，矩形波导用于将驱动信号馈入到高频结构中，其中一个圆波导为截止端口防止微波信号进入电子枪，另外一个圆波导为输出端口，与高频互作用区域连接。
对于工作模式为TE11模的回旋行波管，其输入系统通常是将TE10波从侧壁馈入到圆波导中，采用H面弯波导来改变能量传输方向并与前级驱动连接起来。H面弯波导是基于矩形波导宽边扭转，其横向尺寸最小为矩形波导宽边长度，而E面弯波导是基于矩形波导窄边扭转的，其横向尺寸最小为矩形波导窄边长度，显而易见，E面弯波导的其横向尺寸要小于H面弯波导的其横向尺寸。本发明正是基于该原理，通过利用一种薄片扭波导将H面弯波导转换为E面弯波导，设计了一种紧凑型回旋行波管输入系统。
发明内容
为了减小输入系统尺寸，进而减小回旋管整体尺寸，本发明提出一种紧凑型输入系统的设计方案。与其他类型的输入系统结构相比，本设计方案提出的输入系统采用单片扭波导结构将H面弯波导转换为E面弯波导，将输入系统的横向尺寸极大的减小，并且在7.45-8.95GHz范围内实现S11<-10dB，S21>0.45dB，完全满足回旋行波管设计的需求。
本发明采用了如下技术方案：一种紧凑型回旋行波管输入系统，该系统包括：E面弯波导、扭波导、盒形窗、截止圆波导、输出圆波导；TE10模依次经过E面弯波导、扭波导、盒形窗、输出圆波导；所述E面弯波导包括输入段和输出段，输入段和输出段都为矩形波导，夹角为90°，输入段平行于输出圆波导的输出方向；所述扭波导由两个带开口的正方柱形腔体和连接腔体组成，连接腔体为矩形，正方柱形腔体的开口处为正方柱形的一条柱，两个正方柱形腔体开口相对，且沿波传播方向的投影上下左右对称，通过连接腔体连接两个正方柱形腔体的开口；所述盒形窗包括完全对称的输入段和输出段，其输入段为矩形波导、圆波导，输出段为圆波导、矩形波导，输入段圆波导与输出段圆波导之间设置有密封结构；所述盒形窗输出段的矩形波导与输出圆波导的侧壁连接，输出圆波导的一端设置截止圆波导，另一端为输出口；E面弯波导的输出口为矩形，该矩形的边分别与扭波导中正方形的边平行或垂直；盒形窗输入段中矩形波导与E面弯波导输出段矩形波导垂直；E面弯波导输出段、扭波导、盒形窗连接是器中心重合。
进一步的，所述扭波导中两个正方柱形腔体投影的两个正方形相对角的边形成“十”字形，所述E面弯波导中输出段矩形波导的矩形与盒形窗中输入段矩形波导的矩形大小相同，该矩形长边长度与扭波导两正方形中相距最远的两条边的距离相等。
进一步的，所述E面弯波导的输入端和输出段的矩形尺寸为21.86mm*10.16mm；所述截止圆波导半径的值取在TE11模截止的范围，使得波只沿正方向传输，沿反方向截止；所述的输出圆波导的传输模式为TE11模，与高频结构连接。
本发明的优异效果在于：
采用扭波导将H面弯波导转换为E面弯波导，E面弯波导比H面弯波导尺寸小，故输入系统的整体尺寸减小。与其他结构相比，本发明的回旋行波管输入系统不仅满足低反射、宽频带特性并且能够在更为紧凑的结构下将信号很好地耦合到回旋行波管的波导结构中。
附图说明
图1本发明一种紧凑型回旋行波管输入系统的E面弯波导示意图。
图2本发明一种紧凑型回旋行波管输入系统的扭波导示意图。
图3本发明一种紧凑型回旋行波管输入系统的盒形窗示意图。
图4本发明一种紧凑型回旋行波管输入系统的示意图。
图5本发明一种紧凑型回旋行波管输入系统的侧视图。
图6本发明一种紧凑型回旋行波管输入系统的传输端口的S21参数。
图7本发明一种紧凑型回旋行波管输入系统的传输端口的S11参数。
具体实施方式
下面结合一个工作于X波段(7.45GHz-8.95GHz)的输入系统设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：
输入信号模式：矩形波导TE10模；
工作频段：X波段(7.45GHz-8.95GHz)；
附图1为紧凑型回旋行波管输入系统的弯波导示意图；图2为紧凑型回旋行波管输入系统的扭波导示意图；附图3为紧凑型回旋行波管输入系统的盒形窗示意图；附图4为紧凑型回旋行波管输入系统示意图。该发明包括：E面弯波导(1)、扭波导(2)、盒形窗(3)、截止圆波导(4)、输出圆波导(5)。其中：
E面弯波导(1)：E面弯波导采用X波段标准矩形波导BJ100，a*b＝22.86mm*10.16mm，弯曲的角度为90度；
扭波导(2)：扭波导由两个正方形(12.5mm*12.5mm)部分叠加构成，其厚度为6mm；
盒形窗(3)：盒形窗采用矩-圆-矩结构，两端为标准矩形波导，中间圆波导的半径与矩形波导斜对边长度相等，r＝12.508mm；
截止圆波导(4)：截止圆波导半径为8.5mm；
输出圆波导(5)：输出圆波导半径为12.6mm。
图5为紧凑型回旋行波管输入系统侧视图，输入结构的横向尺寸h仅有31.355mm，可以看出该耦合器整体结构比较紧凑，实现了小型化的目的。图6为紧凑型回旋行波管输入系统S21参数，由图可知该紧凑型回旋行波管输入系统在7.45GHz-8.95GHz的工作带宽内传输损耗小于0.45dB。图7为紧凑型回旋行波管输入系统传输端口的S11参数，可以看出端口的反射小于-10dB，端口的反射较小。本发明的回旋行波管输入系统具有优越传输特性和较宽工作带宽的同时，结构简单紧凑，具有较高的应用和推广价值。
以上实例仅为方便说明本发明，本发明提出的紧凑型输入系统还可以适用于其它频段，具体尺寸由相应的频段和工作模式确定。

Claims (3)

1.一种紧凑型回旋行波管输入系统，该系统包括：E面弯波导、扭波导、盒形窗、截止圆波导、输出圆波导；TE10模依次经过E面弯波导、扭波导、盒形窗、输出圆波导；所述E面弯波导包括输入段和输出段，输入段和输出段都为矩形波导，输入端和输出段的夹角为90°，输入段平行于输出圆波导的输出方向；所述扭波导由两个带开口的正方柱形腔体和连接腔体组成，连接腔体为矩形，正方柱形腔体的开口处为正方柱形的一条柱，两个正方柱形腔体开口相对，且沿波传播方向的投影上下左右对称，通过连接腔体连接两个正方柱形腔体的开口；所述盒形窗包括完全对称的输入段和输出段，其输入段为矩形波导和圆波导，输出段为圆波导和矩形波导，输入段圆波导与输出段圆波导之间设置有密封结构；所述盒形窗输出段的矩形波导与输出圆波导的侧壁连接，输出圆波导的一端设置截止圆波导，另一端为输出口；E面弯波导的输出口为矩形，该矩形的边分别与扭波导中正方形的边平行或垂直；盒形窗输入段中矩形波导与E面弯波导输出段矩形波导垂直；E面弯波导输出段、扭波导、盒形窗连接是器中心重合。
2.如权利要求1所述的一种紧凑型回旋行波管输入系统，其特征在于所述扭波导中两个正方柱形腔体投影的两个正方形相对角的边形成“十”字形，所述E面弯波导中输出段矩形波导的矩形与盒形窗中输入段矩形波导的矩形大小相同，该矩形长边长度与扭波导两正方形中相距最远的两条边的距离相等。
3.如权利要求1所述的一种紧凑型回旋行波管输入系统，其特征在于所述E面弯波导的输入端和输出段的矩形尺寸为21.86mm*10.16mm；所述截止圆波导半径的值取在TE11模截止的范围，使得波只沿正方向传输，沿反方向截止；所述的输出圆波导的传输模式为TE11模，与高频结构连接。
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