CN112420470A - 一种四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构，涉及微波、毫米波电真空器件技术领域。该结构包括依次连接的输入光滑波导段、介质加载互作用段、角向功分型漂移段、输出光滑波导段。电子注在角向功分型漂移段中只作漂移运动，群聚状态会得到进一步加强，最后群聚好的回旋电子注运动到输出光滑波导段，在输出光滑波导段中发生强烈的电子注‑波互作用，辐射出高功率电磁波。本发明有效地降低了介质加载段的电磁耗散功率，提高回旋行波管的功率容量，同时有效增加了散热面积，解决了因吸收过量的高功率电磁波能量而过热出气的问题，提高了回旋行波管的功率容量。

Description

一种四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构
技术领域
本发明涉及微波、毫米波电真空器件技术领域，具体地说是一种新型介质加载回旋行波管高频互作用结构。
背景技术
介质加载回旋行波管是一种非常重要的高功率微波、毫米波电真空器件，以其宽带、高功率的特点，在通信、雷达、电子战、陶瓷加工、受控热核聚变等军事以及民用领域有着广泛的应用前景，因而在国际上以及国内受到高度重视。
介质加载回旋行波管的高频互作用系统是回旋行波管的核心，其性能影响着回旋行波管的工作带宽、效率、增益以及功率容量等性能指标。由于传统的介质加载回旋行波管的高频互作用系统为三段式结构，包括输入光滑波导段、介质加载互作用段、输出光滑波导段三个部分。在传统回旋行波管中，由于其输出系统的反射，在高平均功率条件下，会引起过量的高功率电磁波直接反射到介质加载互作用段，造成介质加载互作用段的末端损耗介质因吸收过量的高功率电磁波能量而过热出气，进而影响回旋行波管的稳定工作。此外，在高频互作用系统的介质加载互作用段中，沿纵向电磁能量分布随着电子注-波互作用的加深而非线性快速增长，特别是在介质加载互作用段的输出末端，其电磁能量密度最高，而高密度电磁能量分布必然引起高密度电磁能量介质吸收。在高平均功率条件下，会引起介质加载互作用段的输出末端介质因吸收过量的高功率电磁波能量而过热出气，这也会影响回旋行波管的稳定工作。因此，如何实现高平均功率输出是传统介质加载回旋行波管的一个技术瓶颈问题。
发明内容
为了解决传统介质加载回旋行波管高平均功率输出的技术瓶颈。本发明提出一种四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构。与传统介质加载回旋行波管三段式高频互作用结构相比，本发明四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构在介质加载互作用段和输出光滑波导段之间引入了一个漂移段，在漂移段中，回旋电子注与工作模式之间几乎不发生注-波互作用，可以近似的认为它只作惯性漂移运动，在此过程中进一步加深群聚，并为最终在输出光滑段中发生强烈注-波互作用，辐射出高功率电磁波作准备。
本发明采用的技术方案如下：
一种四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构，包括依次连接的输入光滑波导段、介质加载互作用段、漂移段、输出光滑波导段。
所述输入光滑波导段、输出光滑波导段均为光滑金属圆波导。
所述介质加载互作用段为衰减陶瓷材料制成的全加载陶瓷筒状结构；或者由周期性交错设置的金属圆波导A、介质加载陶瓷环构成，且介质加载互作用段的两端均为介质加载陶瓷环。
其特征在于：所述漂移段为角向功分型漂移段，该漂移段包括：金属圆波导B及其外壁角向均匀分布的若干个斜入式矩形功分波导；所述斜入式矩形功分波导与输出光滑圆波导间夹角为θ(θ<90°)；所述斜入式矩形功分波导内加载有吸波结构。
进一步地，所述吸波结构为由吸波材料制成的尖劈型结构，尖劈型结构的宽边与斜入式矩型公分波导的宽边相等。
在四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构中，首先电子枪发射的回旋电子注在输入光滑波导段受到输入工作模式的调制。离开输入光滑波导段后，回旋电子进入介质加载互作用段，在介质加载互作用段中，回旋电子与工作模式发生注-波互作用，并沿轴向逐渐加深对回旋电子的调制，完成回旋电子的预群聚。在离开介质加载互作用段后，回旋电子进入漂移段作漂移运动，进一步加深群聚，最后在输出光滑波导段进行强烈的注-波互作用并辐射出高功率电磁波。
在角向功分型漂移段中，电子注的速度与工作模式的速度不同步(斜入式矩形功分波导等效增大了漂移段波导的横截面积)，电子注-波互作用非常弱，几乎不发生电子注-波互作用，可以近似认为电子注在角向功分型漂移段中只作漂移运动。在此漂移运动过程中，回旋电子注的群聚状态会得到进一步加强，最后群聚好的回旋电子注运动到输出光滑波导段，在输出光滑波导段中发生强烈的电子注-波互作用，辐射出高功率电磁波。由于角向功分型漂移段取代了传统介质加载段末端部分的陶瓷环，缩短了介质加载段的整体长度，有效地降低介质加载段中电子注-波互作用的强度，进而降低介质加载段的电磁耗散功率，提高回旋行波管的功率容量。同时，角向功分型漂移段还能够将介质加载互作用段中产生的大部分电磁波能量导入斜入式矩形功分波导中，并由斜入式矩形波导中的尖劈型吸波材料吸收，由于斜入式矩形功分波导中尖劈型吸波材料的表面积远大于传统介质加载段中的陶瓷环的表面积，因此角向功分型漂移段能有效增加散热面积，解决了传统介质加载互作用段的输出末端介质因吸收过量的高功率电磁波能量而过热出气的问题，提高了回旋行波管的功率容量。此外，由于角向功分型漂移段的输出端口的反射较高，因此，角向功分型漂移段能够有效阻止回旋行波管输出的高功率电磁波直接反射到介质加载互作用段，进而降低了介质加载段的耗散功率，有效提高回旋行波管的功率容量。
本发明具有以下的主要优点：
1)所述的角向功分型漂移段在纵向位置上取代了介质加载互作用段的输出端的部分陶瓷环，减短了介质加载互作用段的长度。这样减小了介质加载互作用段中电子注-波互作用强度，进而降低介质加载互作用段末端衰减陶瓷环的电磁能量密度，减小损耗介质吸收电磁能量，有效提高回旋行波管功率容量。
2)所述的角向功分型漂移段能够阻止输出高功率电磁波通过漂移段反射回介质加载互作用段中，有效解决了介质加载互作用段的输出端介质因吸收过量的高功率电磁波能量而过热出气的问题。
3)所述的角向功分型漂移段能够将介质加载互作用段中产生的大部分电磁波能能量导入斜入式矩形功分波导中，并由矩形功分波导中的尖劈型吸波材料吸收，由于矩形功分波导中的尖劈型吸波材料的表面积远大于传统介质加载段中的陶瓷环的表面积，因此矩形功分波导能有效增加散热面积，有效提高高频系统功率容量。
附图说明
图1为传统三段式介质加载回旋行波管高频互作用结构示意图。
图2为四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构示意图。
图3(a)为四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构——角向功分型漂移段图结构示意图；
图3(b)为角向功分型漂移段尖劈型吸波材料示意图。
图4为角向功分型漂移段主视图。
图5为HFSS高频仿真软件仿真所得角向公分型漂移段的传输参数(S21参数)与工作频率(ka波段)的关系图。
图6为HFSS高频仿真软件仿真所得角向公分型漂移段的反射参数(S11参数)与工作频率(ka波段)的关系图。
图7为本发明Ka波段四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构(具有角向功分型漂移段)的PIC仿真输出功率图。
图8为本发明Ka波段四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构(具有角向功分型漂移段)的PIC仿真增益图。
附图标号说明：1.输入光滑波导段；2.介质加载互作用段；2-1.金属圆波导A；2-2.介质加载陶瓷环；3.输出光滑波导段；4.角向公分型漂移段；4-1.金属圆波导B；4-2.斜入式矩形功分波导；4-3.尖劈型结构。
具体实施方式
下面结合一个Ka波段四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构的设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：
Ka波段四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构技术指标要求：
主波导工作模式：TE01模；
工作频段：Ka波段(32.5GHz-36GHz)，工作电压60kV，工作电流10A；效率大于20％，增益大于45dB。
如图2-图4所示，该实施例包括：
1、输入光滑波导(1)的半径为5.56mm，长为15mm。
2、介质加载互作用段(2)的长为294mm，包括尺寸相同的24个介质加载陶瓷环(2-2)，相邻两介质加载陶瓷环之间为长度为0.5mm的金属圆波导A(2-1)，介质加载陶瓷环的外半径 6.56mm，内半径为5.56mm，长为10mm，材料为衰减陶瓷；金属圆波导A的内半径为5.56mm。
3、输出光滑波导(3)的内半径为5.56mm，长为38mm。
4、角向功分型漂移段(4)长为15mm；包括金属圆波导B(4-1)及其外壁角向均匀分布的 12个斜入式矩形功分波导(4-2)；斜入式矩形功分波导的宽边为14.22mm，窄边为1.20mm，高为29.74mm，斜入式矩形功分波导与输出光滑圆波导间夹角为θ＝50；斜入式矩形功分波导内设置的尖劈型吸波结构(4-3)的体积为斜入式矩形功分波导(4-2)的一半，吸波材料为BesiC。
图5为HFSS高频仿真软件仿真所得角向公分型漂移段的传输参数(S21参数)与工作频率(ka波段)的关系图；由图可知角向公分型漂移段的传输参数在32-37GHZ频段内低于-15dB，说明角向功分型漂移段能够将介质加载互作用段中产生的大部分电磁波能量导入矩形功分波导中，并由矩形功分波导中的吸波介质材料吸收，因此能量几乎不会到达输出光滑波导段，另一方面由于角向功分面积较大，散热效果更佳。
图6为HFSS高频仿真软件仿真所得角向公分型漂移段的反射参数(S11参数)与工作频率(ka波段)的关系图。由图可知，角向公分型漂移段的反射参数在32-37GHz频段内低于 -10dB，说明角向功分型漂移段的输出端口的反射较高。因此，角向功分型漂移段能够有效阻止回旋行波管输出的高功率电磁波直接反射到介质加载互作用段，进而降低了介质加载短的耗散功率，有效提高回旋行波管的功率容量。
图7为本发明Ka波段四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构(的PIC仿真输出功率；由图可知采用四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构设计的回旋行波管的平均功率大于10kW，脉冲功率大于100kW，带宽覆盖范围从32.5GHz到36.3GHz。因此，四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构具有宽带宽、高功率的特性。
图8为本发明Ka波段四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构的PIC仿真增益。由图可知本实施例设计的回旋行波管的带内增益大于45dB，效率大于20％。因此，四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构具有高增益、高传输效率的特性。
以上实例仅为方便说明本发明提出的一种四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构 (具有角向功分型漂移段)，本发明同样适用于其他频段的四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构。

Claims (2)

1.一种四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构，包括依次连接的输入光滑波导段、介质加载互作用段、漂移段、输出光滑波导段；
所述输入光滑波导段、输出光滑波导段均为光滑金属圆波导；
所述介质加载互作用段为衰减陶瓷材料制成的全加载陶瓷筒状结构；或者由周期性交错设置的金属圆波导A、介质加载陶瓷环构成，且介质加载互作用段的两端均为介质加载陶瓷环；
其特征在于，所述漂移段为角向功分型漂移段，该漂移段包括：金属圆波导B及其外壁角向均匀分布的若干个斜入式矩形功分波导；所述斜入式矩形功分波导与输出光滑圆波导间夹角为θ，θ<90°；所述斜入式矩形功分波导内加载有吸波结构。
2.如权利要求1所述的一种四段式介质加载回旋行波管高频互作用结构，其特征在于，所述吸波结构为由吸波材料制成的尖劈型结构，尖劈型结构的宽边与斜入式矩型公分波导的宽边相等。
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