CN111640638B - 一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管，采用了正向交错双线高频结构来实现很高的耦合阻抗高，增强了注‑波互作用，因此可以输出大功率的电磁波；在具体使用过程中，通过合理设置工作参数，实现工作在W波段(70‑110GHz)的高次模式，因此大幅提升了该新型行波管的频带，这样很好地平衡了大功率和高频率两大关键点，从而实现了行波管大功率、高频率、高次模工作方式。

Description

一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管

技术领域

本发明属于行波管技术领域，更为具体地讲，涉及一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管。

背景技术

科技的发展一直对大功率高频率电磁波有着很大的需求，尤其是随着5G通信网络的大规模的商用和未来6G通信技术的先期预研，大功率电磁波发射源始终是一个关键的难题。传统的电磁波发射源主要采用固态器件，主要利用半导体内部的电子迁移来产生电磁波信号的放大，但该类型的电子器件由于其先天性的弱点，始终无法产生大功率、高频率的电磁波信号。而以使用在真空中运行的高能电子注为载体的真空电子器件，基于切伦科夫辐射机制，可以产生强烈的电子注与电磁波的换能互作用，进而产生大功率高频率电磁波。

经过几十年的发展，行波管作为真空电子器件的代表，发展出了基于螺旋线、耦合腔等高频结构的种类。但其主要工作在:L波段(1-2GHz)、S波段(2-4GHz)、C波段(4-8GHz)X波段(8-12GHz)等低频段，有些结构虽然可以工作在Ka波段(26-40GHz)等较高的频段，但输出功率较低。电磁波的功率和频率是一对矛盾，随着器件工作频率的提升，其输出功率会大幅下降，很难做到保证工作在高频率的同时，又实现较大的输出功率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管，在平衡大功率和高频率两大关键点下，实现工作在W波段(70-110GHz)的高次模式，大幅提升了行波管的频带。

为实现上述发明目的，本发明一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管，安装在金属屏蔽腔内，其特征在于，包括：介质杆、正向交错双线慢波结构、阴极发射体、阶梯交错双脊波导和衰减器；

所述金属屏蔽腔为矩形结构，两侧处各开一个方孔，开孔的位置刚好与阶梯交错双脊波导对齐，用于屏蔽电磁干扰；

所述介质杆为矩形结构，共计两根，分别在金属屏蔽腔两侧的正中间各自焊接一根，用于固定交错双线慢波结构；

所述正向交错双线慢波结构，通过直角拐弯折叠方式成“几”字型结构的金属曲折线，其中，在直角拐弯折叠的过程中，当金属曲折线的长度到达介质杆中后部时，先增大“几”字型间的间距，再减小“几”字型间的间距，两段结构的周期数各不相同，从而形成周期间距正-负跳变段；上、下两根金属曲折线的横向宽度都为两根介质杆之间的距离，并通过金属焊接方式固定，且焊接固定时要保持上、下两根金属曲折线间的间距刚好为阴极发射体厚度的两倍；其轴向距离取相同值，但通过轴向平移上面的金属曲折线，使上、下两根金属曲折线交错；上、下两根金属曲折线的末端焊接连接在阶梯交错双脊波导的脊上；上、下两根金属曲折线之间的间距构成了带状电子注通道；

所述阴极发射体，位于金属屏蔽腔的一端，位置在端面的正中间，其形状为一块长方体，厚度为电子注通道的一半，用于发射带状电子注；

所述阶梯交错双脊波导，在标准矩形波导的宽边上焊接三个宽度相同，高度依次降低的脊，最末尾的脊最高，并与金属曲折线的末端焊接固定；

所述衰减器，为介质杆上中部位置处的一个梯形区域，通过在介质杆上做梯形掩膜反遮挡，并采用蒸碳工艺，使介质杆上留下了梯形形状的碳层，通过碳层吸收损耗掉的电磁波；

整个行波管的工作原理为：电磁波信号从E波段标准矩形波段端口馈入，形成TE₁₀模式的场分布状态，然后通过阶梯交错双脊波导的变换，使电磁波从TE₁₀模式，逐渐过渡到交错双线结构中的准TEM模式，从而将电磁波信号耦合到正向交错双线慢波结构中；同时，阴极发射体产生出高能带状电子注，并与准TEM模式的电磁波共同向行波管的另一个端传输，在传输过程中，正向交错双线慢波结构对高能带状电子注进行调制，使其产生切伦科夫辐射，从而把电子注的能量传递给馈入的电磁波信号；当电磁信号传输到衰减器的位置时，衰减器将所有的电磁波都吸收，以及电子注产生的干扰正常工作的返波振荡信号，从而消除掉行波管器内的杂波；当被调制后的带状电子注通过衰减器后，会在正向交错双线慢波结构内部重新调制出电磁波信号，并逐渐放大，当电磁波信号和带状电子注通过周期间距正-负跳变段时，通过改变电磁波信号的相速度，使得电磁波-电子注重新互作用，转移更多的能量；最终通过另一个阶梯交错双脊波导将模式变换为TE₁₀模，并输出。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管，采用了正向交错双线高频结构来实现很高的耦合阻抗高，增强了注-波互作用，因此可以输出大功率的电磁波；在具体使用过程中，通过合理设置工作参数，实现工作在W波段(70-110GHz)的高次模式，因此大幅提升了该新型行波管的频带，这样很好地平衡了大功率和高频率两大关键点，从而实现了行波管大功率、高频率、高次模工作方式。

同时，本发明一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管还具有以下有益效果：

(1)、本发明使用了介质杆在曲折金属线的两侧进行夹持和固定，消除掉了传统微带线结构中的介质基板，这样可以最大程度的减小介质对注-波互作用的影响；

(2)、本发明与传统的单根金属带状线结构相比，两根金属曲折线交错排列，可以使结构中的电场更多的集中在上下排列的金属丝中间，而这正是电子注通过的区域，因此这就带来了效率更高的注-波换能互作用，实现大功率电磁波的输出；

(3)、本发明运用了斜劈渐变衰减器和周期间距正-负双跳变技术，能够大幅度提升输出功率；

(4)、本发明采用阶梯交错双脊波导段，可以很好地把从标准矩形波导馈入的TE₁₀模式转换为慢波结构中所需的准TEM模式；

附图说明

图1是本发明一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管一种具体实施方式架构图；

图2是交错双线慢波结构示意图；

图3是单根、双根金属曲折线示意图；

图4是阶梯交错双脊波导结构及尺寸示意图；

图5是衰减器结构及尺寸示意图；

图6是交错双线慢波结构的色散曲线；

图7是交错双线慢波结构中各个周期跳变分布图；

图8是行波管输出功率随频率变化的曲线；

图9是交错双线平面化行波管的传输特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管一种具体实施方式架构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管，安装在金属屏蔽腔1内，包括：介质杆2、正向交错双线慢波结构5、阴极发射体3、阶梯交错双脊波导6和衰减器4；

金属屏蔽腔1为矩形结构，两侧处各开一个方孔，开孔的位置刚好与阶梯交错双脊波导对齐，用于屏蔽电磁干扰；通过消除掉了传统微带线结构中的介质基板，这样可以最大程度的减小介质对注-波互作用的影响。

介质杆2为矩形结构，共计两根，分别在金属屏蔽腔两侧的正中间各自焊接一根，用于固定交错双线慢波结构；

正向交错双线慢波结构5，通过直角拐弯折叠方式成“几”字型结构的金属曲折线，其中，单根在直角拐弯折叠的过程中，当金属曲折线的长度到达介质杆中后部时，如图2(a)所示，先增大“几”字型间的间距，再减小“几”字型间的间距，两段结构的周期数各不相同，从而形成周期间距正-负跳变段，最终，两段跳变结构和之前的主慢波结构一并构成了三段式的正向交错双线慢波结构；上、下两根金属曲折线的横向宽度都为两根介质杆之间的距离，并通过金属焊接方式固定，且焊接固定时要保持上、下两根金属曲折线间的间距刚好为阴极发射体厚度的两倍；其轴向距离取相同值，但通过轴向平移上面的金属曲折线，使上、下两根金属曲折线交错，其中单根金属曲折线的俯视图如图3(a)所示，交错后的双金属曲折线的俯视图如图3(b)所示；上、下两根金属曲折线的末端焊接连接在阶梯交错双脊波导的脊上；上、下两根金属曲折线之间的间距构成了带状电子注通道；

在本实施例中，正向交错双线慢波结构能够用镜像对称双线慢波结构或反向交错双线慢波结构替代；

其中，如图2(b)所示，镜像对称双线慢波结构，与正向交错双线慢波结构类似，不同点是上、下两根金属曲折线均通过直角拐弯折叠方式成“几”字型结构，且每根金属曲折线在折叠过程中不跳变，呈周期分布，另外上、下两根金属曲折线不平移，上下完全对齐；其他结构部件和正向交错双线慢波结构的没有区别。

当镜像对称双线慢波结构运用时，该慢波结构产生的运行模式主要为偶模，其大部分的电磁波电力线平行于电子注传输的方向，这就便于电磁波和电子注进行更加充分的能量交换，进而产生更大的输出功率。

如图2(c)所示，反向交错双线慢波结构，也与正向交错双线慢波结构类似，不同点是上、下两根金属曲折线在通过直角拐弯折叠方式成“几”字型结构时的间距不同但上、下两根金属曲折线各自呈周期分布，其中，上层的金属曲折线的间距大于下层金属曲折线的间距，且上层的金属曲折线的间距段与下层的金属曲折线的间距段的中心对齐，构成反向交错的双线慢波结构；其他结构部件和正向交错双线慢波结构的没有区别

当反向交错双线慢波结构运用时，会产生一种倾斜的电磁波传输偶模和一种倾斜的奇模，这两种频带分布不同，可以很方便的供设计人员选择不同频段，来设计行波管的工作频段。

阴极发射体3，位于金属屏蔽腔的一端，位置在端面的正中间，其形状为一块长方体，厚度为电子注通道的一半，用于发射带状电子注；

阶梯交错双脊波导6，如图4(a)所示，在标准矩形波导的宽边上焊接三个宽度相同，高度依次降低的脊，最末尾的脊最高，并与金属曲折线的末端焊接固定；在本实施例中，图4(b)所示，给出了衰减器相关结构参数，其中，Jbx_1、Jbx_2、Jbx_3分别为矩形波导中第一、二、三个脊在Y方向的高度，Jby_1、Jby_2、Jby_3分别为在X方向的三个脊的长度，通过上下对称设置，标准矩形波导中的电磁波从TE₁₀模式，逐渐过渡到交错双线结构中的准TEM模式，gx和gy分别为脊波导和交错双线过渡段的金属屏蔽腔在X和Y方向的长度。

衰减器4，如图5(a)所示，为介质杆上中部位置处的一个梯形区域，通过在介质杆上做梯形掩膜反遮挡，并采用蒸碳工艺，使介质杆上留下了梯形形状的碳层，通过碳层吸收损耗掉的电磁波；在本实施例中，衰减器采用斜劈渐变衰减器，斜劈渐变衰减器的结构和示意图。颜色较深的梯形部分即为在介质杆上加载的衰减器。其横向尺寸为bx，厚度和介质杆(BN rod)一致，为t+t+yt，其中，t为金属曲折线的厚度，yt是电子注入通道的高度，也是阴极发射体厚度的两倍；其轴向斜劈过渡为等腰梯形样式，两条斜边对应的底边距离为3*p，中间顶部的距离为2*p,其梯形的高也就是横向尺寸bx。之所以设置为斜劈渐变形式的梯形结构，是了减小电磁波传输到衰减器时产生的反射信号，采用斜劈渐变形式可以逐渐地把波吸收掉。

整个行波管的工作原理为：电磁波信号从E波段标准矩形波段端口馈入，形成TE₁₀模式的场分布状态，然后通过阶梯交错双脊波导的变换，使电磁波从TE₁₀模式，逐渐过渡到交错双线结构中的准TEM模式，从而将电磁波信号耦合到交错双线慢波结构中；同时，阴极发射体产生出高能带状电子注，并与准TEM模式的电磁波共同向行波管的另一个端传输，在传输过程中，交错双线慢波结构对高能带状电子注进行调制，使其产生切伦科夫辐射，从而把电子注的能量传递给馈入的电磁波信号；当电磁信号传输到衰减器的位置时，衰减器将所有的电磁波都吸收，以及电子注产生的干扰正常工作的返波振荡信号，从而消除掉行波管器内的杂波；当被调制后的带状电子注通过衰减器后，会在交错双线慢波结构内部重新调制出电磁波信号，并逐渐放大，当电磁波信号和带状电子注通过周期间距正-负跳变段时，通过改变电磁波信号的相速度，使得电磁波-电子注重新互作用，转移更多的能量；最终通过另一个阶梯交错双脊波导将模式变换为TE₁₀模，并输出。

图6是交错双线慢波结构的色散曲线。

色散曲线反映了单周期结构本征模的特性，并且区分出了各个模式的工作频段。为了实现行波管工作在高频段，因此选择了色散曲线中的模式4(mode4)为工作模式。但当电子注的色散线和慢波结构的模式4的色散线相交时，不可避免的会和下面的模式1、2、3有交点，如图6所示，因此就有可能在交点处产生返波振荡信号，破坏输出功率的频谱。为此，本发明中的行波管为了保证在高次的模式4工作，采用了两种技术来抑制振荡信号的产生和干扰：加载衰减器和周期间距跳变技术。

图7是交错双线慢波结构中各个周期跳变分布图。

通过理论推导和模拟仿真，得出了各个段的周期长度和周期数。如图7所示，第一部分为主结构，周期长度P＝0.2mm，周期数为35，第二部分为周期间距正跳变段，周期长度为0.21mm，周期数为11，第三部分为周期间距负跳变段，周期长度为0.18mm，周期数为15。通过第二和第三部分正-负双跳变，可以很好的抑制振荡信号，减小对目标信号的干扰。其原理在于，通过改变周期长度，进而改变了第二、第三跳变段的归一化相速度，破坏了在第一段产生的返波振荡信号与电子注的同步互作用，使该振荡信号逐渐减弱以至于消失，因此保证了器件工作的模式4可以稳定产生功率输出。因此，本发明采用的衰减器和双跳变结构，除了可以抑制振荡信号外，还可以进一步增大输出功率，实现设计的行波管可以在高频率段实现大功率的输出。其作用机理主要为，虽然衰减器暂时中断了信号的传输，但已经调制好的电子注可以重新耦合出电磁信号，这就增大了互作用周期数和慢波结构互作用的长度，进而产生更大功率的输出。此外，衰减器还破除了单段行波管增益不能过高的限制，两段的设置，保证了整个行波管的增益可以达到35dB。而周期间距正-负跳变的负跳变段，也就是图7的第三部分，因为减小周期长度，意味着减小了该部分的电磁波相速度，这就可以和已经失去大部分能量的电子注重新进行互作用，进一步从电子注重提取能量，转移给电磁信号，从而实现大功率的输出。

图8是行波管输出功率随频率变化的曲线。

图8中标号为正方形的曲线表示了含有跳变结构的输出扫频曲线，标号为圆形的表示了不含跳变的曲线。可看出，不含跳变的最大值在78GHz，输出功率为220瓦，含跳变的最大输出功率在75GHz频点处，达到了350瓦，最大功率提升了60％，因此，在整个频段68-78GHz，所设计的行波管可以实现宽带输出。

图9是交错双线平面化行波管的传输特性曲线。

通过仿真可以看到，不论是否含有衰减器，交错双线平面化行波管的反射系数S11在68-79GHz范围内都优于-15dB，在不包含衰减器情况下，插入损耗S21大约为-5dB，该部分损耗主要由金属和介质损耗产生；当加载了衰减器后，插入损耗约为-50db以下，反映了衰减器可以很好的吸收电磁信号。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，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。

Claims (3)

1.一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管，安装在金属屏蔽腔内，其特征在于，包括：介质杆、正向交错双线慢波结构、阴极发射体、阶梯交错双脊波导和衰减器；

所述金属屏蔽腔为矩形结构，两侧处各开一个方孔，开孔的位置刚好与阶梯交错双脊波导对齐，用于屏蔽电磁干扰；

所述介质杆为矩形结构，共计两根，分别在金属屏蔽腔两侧的正中间各自焊接一根，用于固定交错双线慢波结构；

所述正向交错双线慢波结构，通过直角拐弯折叠方式成“几”字型结构的金属曲折线，其中，在直角拐弯折叠的过程中，当金属曲折线的长度到达介质杆中后部时，先增大“几”字型间的间距，再减小“几”字型间的间距，两段结构的周期数各不相同，从而形成周期间距正-负跳变段；上、下两根金属曲折线的横向宽度都为两根介质杆之间的距离，并通过金属焊接方式固定，且焊接固定时要保持上、下两根金属曲折线间的间距刚好为阴极发射体厚度的两倍；其轴向距离取相同值，但通过轴向平移上面的金属曲折线，使上、下两根金属曲折线正向交错；上、下两根金属曲折线的末端焊接连接在阶梯交错双脊波导的脊上；上、下两根金属曲折线之间的间距构成了带状电子注通道；

所述阴极发射体，位于金属屏蔽腔的一端，位置在端面的正中间，其形状为一块长方体，厚度为电子注通道的一半，用于发射带状电子注；

所述阶梯交错双脊波导，在标准矩形波导的宽边上焊接三个宽度相同，高度依次降低的脊，最末尾的脊最高，并与金属曲折线的末端焊接固定；

所述衰减器，为介质杆上中部位置处的一个梯形区域，通过在介质杆上做梯形掩膜反遮挡，并采用蒸碳工艺，使介质杆上留下了梯形形状的碳层，通过碳层吸收损耗掉的电磁波；

整个行波管的工作原理为：电磁波信号从E波段标准矩形波段端口馈入，形成TE₁₀模式的场分布状态，然后通过阶梯交错双脊波导的变换，使电磁波从TE₁₀模式，逐渐过渡到交错双线结构中的准TEM模式，从而将电磁波信号耦合到交错双线慢波结构中；同时，阴极发射体产生出高能带状电子注，并与准TEM模式的电磁波共同向行波管的另一个端传输，在传输过程中，正向交错双线慢波结构对高能带状电子注进行调制，使其产生切伦科夫辐射，从而把电子注的能量传递给馈入的电磁波信号；当电磁信号传输到衰减器的位置时，衰减器将所有的电磁波都吸收，以及电子注产生的干扰正常工作的返波振荡信号，从而消除掉行波管器内的杂波；当被调制后的带状电子注通过衰减器后，会在交错双线慢波结构内部重新调制出电磁波信号，并逐渐放大，当电磁波信号和带状电子注通过周期间距正-负跳变段时，通过改变电磁波信号的相速度，使得电磁波-电子注重新互作用，转移更多的能量；最终通过另一个阶梯交错双脊波导将模式变换为TE₁₀模，并输出。

2.根据权利要求1所述的一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管，其特征在于，所述衰减器采用斜劈渐变衰减器。

3.根据权利要求1所述的一种大功率高频率高次模工作的交错双线平面化行波管，其特征在于，所述正向交错双线慢波结构能够用镜像对称双线慢波结构或反向交错双线慢波结构替代；

其中，所述镜像对称双线慢波结构，与正向交错双线慢波结构类似，不同点是在轴向不平移金属曲折线，使上、下两根金属曲折线完全对齐；

所述反向交错双线慢波结构，也与正向交错双线慢波结构类似，不同点是上、下两根金属曲折线间的间距不同，其中，上层的金属曲折线的间距大于下层金属曲折线的间距，且上层的金属曲折线的间距段与下层的金属曲折线的间距段的中心对齐，构成反向交错的双线慢波结构。

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