CN111755300B - 一种宽带回旋行波管高频结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于毫米波和太赫兹技术领域，具体提供一种宽带回旋行波管高频结构，应用于毫米波及太赫兹频段回旋行波管高频系统设计。本发明宽带回旋行波管高频结构采用非线性渐变的“喇叭”口径波导结构，并设计得到非线性渐变的“喇叭”口径波导沿传播方向的轮廓分布；采用本发明高频结构突破了传统结构的相对带宽7％的限制，可满足不同带宽需求的自由设计，带内各频点均可高效率互作用换能；同时本发明中非线性渐变的“喇叭”口径波导结构的设计过程中，突破了基于经验模型不断“试错”和优化迭代的“黑箱”设计方法，可通过给定宽带因子自动生成，大大缩减设计时间与计算成本。

Description

一种宽带回旋行波管高频结构

技术领域

本发明属于毫米波和太赫兹技术领域，具体涉及一种宽带回旋行波管高频结构，应用于毫米波及太赫兹频段回旋行波管高频系统设计。

背景技术

回旋行波管是一种基于电子回旋谐振脉塞原理的电真空放大器件，不同于经典行波管采用慢波高频电路，回旋行波管采用波导高频电路，利用相速度大于光速的电磁波(即快波)与相对论螺旋电子进行横向换能在毫米波频段具有百千瓦级宽带输出的潜力，在毫米波高分辨率雷达、毫米波对抗等方面具有极其重要的应用前景。

高频电路是电子注与电磁波(简称“注-波”)互作用换能的场所，传统回旋行波管的非线性高频电路为均匀的光滑波导，波导高频的固有色散特性决定了电磁波只能在窄带内与电子强互作用换能，导致器件带宽受限；国际上百千瓦级回旋行波管最大1dB相对带宽约7％(S.V.Samsonovet al.,IEEE Trans.Electron Devices,vol.61,no.12,pp.4264-4267,Dec.2014)，远不能满足系统装备的高功率、宽频带和高效率的综合指标需求。基于此，本发明提供一种宽带回旋行波管高频结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带回旋行波管高频结构，采用非线性渐变的“喇叭”口径波导结构，并设计得到非线性渐变的“喇叭”口径波导沿传播方向的轮廓分布；采用该结构突破了通用均匀波导高频结构相对带宽7％的限制。

本发明采取以下的技术方案实现：

一种宽带回旋行波管高频结构，其特征在于，所述高频结构采用非线性渐变的“喇叭”口径波导结构，所述非线性渐变的“喇叭”口径波导的半径分布r(z)满足关系式：

其中，k_BW为高频结构的带宽因子，L为高频结构的长度，k(z)为电磁波沿传播方向的传播常数：

其中，k＝2πf/c、f为工作频率、c为光速，k_c(z)为截止波数：

其中，x′_mn为与工作模式TE_mn有关的常数。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种宽带回旋行波管高频结构，采用非线性渐变的“喇叭”口径波导结构，小口径段对带内低频点截止，低频点电磁波只能在大口径波导段与电子有效换能，因而可有效缩短低频点的有效换能距离；随着频率增大，有效互作用长度逐渐延伸到小口径高频段，有效换能距离逐渐增大；更为具体的讲：

1)本发明通过宽带下有效换能距离与电磁波传输特性的解析关系，提出了宽带高频设计判据，据此自动生成非线性渐变的“喇叭”口径波导沿传播方向的轮廓分布，即得到非线性渐变的“喇叭”口径波导结构；采用该结构突破了传统结构的相对带宽7％的限制，可满足不同带宽需求的自由设计，带内各频点均可高效率互作用换能。

2)本发明中非线性渐变的“喇叭”口径波导结构的设计过程中，突破了基于经验模型不断“试错”和优化迭代的“黑箱”设计方法，可通过给定宽带因子自动生成，大大缩减设计时间与计算成本。

附图说明

图1为本发明实施例中非线性渐变的“喇叭”口径高频结构与传统均匀高频结构的尺寸纵向分布对比图，其中，曲线1为传统均匀高频结构，曲线2为非线性渐变的“喇叭”口径高频结构。

图2为本发明实施例中提供的换能效率与带宽因子k_BW之间的关系图。

图3为本发明实施例中提供的带宽因子k_BW与高频长度L、纵向波数k_z的映射关系图。

图4为本发明实施例中非线性渐变的“喇叭”口径高频结构与传统均匀高频结构的频率响应对比图，其中，曲线1为传统均匀高频结构，曲线2为非线性渐变的“喇叭”口径高频结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种宽带回旋行波管高频结构，其设计原理在于：

基于运动电子坐标系，深入分析换能物理过程，发现电磁波与电子无法宽带换能的根本原因是：低频点电场强度大，电子受力大，单位长度内做功多，能量交换多，导致电子过换能，部分能量回流；而高频点电场强度小，电子受力小，单位长度内做功少，能量交换不足，导致电子欠换能；以上原因共同决定了电子无法在宽带内充分换能，器件无法实现宽带高效放大。为此，需减小低频点电磁波与电子的有效换能距离，同时增大高频点有效换能距离，使得目标频带内所有频点的有效换能距离相当，即可实现宽频带内高效互作用换能。发现带宽因子k_BW(即有效换能距离)由下式决定：

其中，L为高频结构的物理长度，k(z)为电磁波的纵向传播常数：

其中，k＝w/c＝2πf/c、f为工作频率、c为光速，k_c为截止波数、在圆波导中有：

其中，r(z)为非线性渐变的“喇叭”口径高频结构的轮廓尺寸沿纵向位置z的分布，x′_mn为与工作模式TE_mn有关的常数、例如TE₀₁模对应为x′₀₁＝3.831184；

上式(1)～(3)表明有效换能距离仅与电磁波的传播常数沿传播方向的积分有关，与具体高频结构无关；故有效换能距离弱化了高频结构对频率的依赖，实现了带宽的强约束解耦，使电子自适应频率变化所带来的场强变化，据此可自由构建满足该条件的高频电路结构。

本实施例以Ka波段回旋行波管高频的设计为例，如图2所示为本实施例提供的换能效率与带宽因子(有效环能距离)k_BW之间的关系(由现有技术预设已知)，由图可见，带宽因子取值为3.5～4.0可实现最优换能效率；而当带宽因子偏小时(即左区域)换能距离偏短，换能不充分，电磁波欠换能发生；由区域为换能距离偏长，电磁波过饱和放大，部分高频场能量又会“回流”到电子；

如图3所示为本实施例提供的带宽因子k_BW与高频结构的长度L和纵向波数k(z)的映射关系，横坐标为电磁波的传播常数，与工作频率和高频结构有关；由图可知，对于对于给定的带宽因子，所需的高频电路长度L随着频率增大而增大，且两者的关系可定量给出；进而生成非线性渐变的“喇叭”口径高频结构的轮廓沿纵向位置z的分布；

如图1所示为本实施例中非线性渐变的“喇叭”口径高频结构与传统均匀高频结构的尺寸纵向分布对比图，其中，本实施例得到的非线性“喇叭”口径高频轮廓由式(1)在k_BW＝3.8的条件下自由生成。

如图4所示为本实施例中非线性渐变的“喇叭”口径高频结构与传统均匀高频结构的频率响应对比图，由图可见，本实施例中非线性渐变的“喇叭”口径高频结构中31～37GHz的频带内换能效率都在40％以上，而传统高频结构效率在20％以上的频率仅在31～32GHz，可见本发明的非线性渐变的“喇叭”口径高频结构可获得5倍以上的带宽提升。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种宽带回旋行波管高频结构，其特征在于，所述高频结构采用非线性渐变的“喇叭”口径波导结构，所述非线性渐变的“喇叭”口径波导半径的半径分布r(z)满足关系式：

其中，k_BW为高频结构的带宽因子，L为高频结构的长度，k(z)为电磁波沿传播方向的传播常数：

其中，k＝2πf/c、f为工作频率、c为光速，k_c(z)为截止波数：

其中，x′_mn为与工作模式TE_mn有关的常数。

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