CN113161216B - 一种紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于毫米波真空电子器件领域，具体为一种紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器，包括双共焦波导和标准矩形波导；双共焦波导包括角向均匀设置的4面开放共焦波导镜面；4面开放共焦波导镜面尺寸相同，且它们之间的镜面间距与曲率半径相等；所述标准矩形波导作为输入波导，垂直设于其中一开放共焦波导镜面上，且在该开放共焦波导镜面与标准矩形波导连接处开设有耦合孔；标准矩形波导中的基模通过该耦合孔进入双共焦波导中，并激励起回旋行波管所需的工作模式，完成电磁波的模式转换。本发明的输入耦合器相较于现有技术的共焦波导模式转换器而言，具有结构简单、易于加工的特点、可以用于实验测试且工作频带较宽。

Description

一种紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器
技术领域
本发明属于毫米波真空电子器件领域，涉及一种波导模式转换器，具体为一种紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器，可以应用于工作在毫米波及太赫兹波段的回旋行波管。
背景技术
回旋行波管是一种将输入的微波信号进行放大的电真空器件，具有大功率、宽带宽和高增益的特点，已广泛用于电子对抗、雷达系统和高速无线通讯领域。
回旋行波管采用快波横向换能的工作方式，利用输入信号对回旋电子注进行速度调制，由于相对论质量效应使其逐渐形成角向群聚，在注-波互作用中交出能量，产生高功率毫米波输出。为了提高回旋行波管的输出功率，减小波导的尺度效应和抑制波导内的模式竞争，共焦波导回旋行波管被美国麻省理工学院(MIT)提出，并用实验证明了其确实能在高阶模式下实现高功率的输出，在亚毫米波-太赫兹雷达和通信系统等领域具有广泛的应用前景。但传统共焦波导回旋行波管由于其结构特点，注-波互作用效率低。为了提升工作效率，提高输出功率，在共焦波导回旋行波管基础上，提出了双共焦波导回旋行波管。在研制共焦波导回旋行波管的过程中，输入耦合器作为其核心部件之一，它能够将标准矩形波导中的输入信号耦合到回旋行波管的高频结构中去，将输入模式转变为所需工作频点的模式(一般为场分布呈准高斯分布的模式)。然后通过高频结构对电子枪发射出来的具有相对论效应的回旋电子束进行角向调制，实现注-波互作用，电磁波从电子束中获得能量从而实现高功率的输出。因此，对于能够工作于共焦回旋行波管的输入耦合器进行研究具有重要意义和价值。
目前，共焦波导回旋行波管多采用TE0m模式作为工作模式，并且工作频带靠近其模式的截止频率。为了解决共焦波导回旋行波管功率注入的问题，实验上多采用传统的共焦波导模式转换器(即脊加载改进型双臂结构、双路多缝电耦合结构和多缝磁耦合结构)。但这些传统转换器存在结构复杂，尺寸较大，加工不便，安装复杂，带宽较窄等劣势，不适合在双共焦波导回旋行波管上采用。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器，以解决现有技术中共焦波导回旋行波管输入结构复杂，加工难度大的问题。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器，包括：双共焦波导和标准矩形波导；
所述双共焦波导包括角向均匀设置的4面开放共焦波导镜面；4面开放共焦波导镜面尺寸相同，且它们之间的镜面间距与曲率半径相等；
所述标准矩形波导作为输入波导，垂直设于其中一开放共焦波导镜面上，且在该开放共焦波导镜面与标准矩形波导连接处开设有耦合孔；标准矩形波导中的基模通过该耦合孔进入双共焦波导中，并激励起回旋行波管所需的工作模式，完成电磁波的模式转换。
进一步的，所述双共焦波导沿输出方向依次分为截止段、直段和输出段，截止段、直段和输出段的镜面间距与曲率半径逐渐增大形成渐变式结构。
进一步的，所述标准矩形波导设于直段上，其内壁位于截止段与直段交接处。这样设置的目的是保证从截止段反射的电磁波与正向传播的电磁波实现同相叠加，从而获得最高的耦合效率。
本发明是基于孔耦合原理，将电磁波输入至标准矩形波导时的基模，通过双共焦波导上开设的耦合孔进入双共焦波导，然后在双共焦波导中耦合出回旋行波管工作时所需要的模式。在本发明中，由于4面共焦波导镜面采用角向均匀的设置方式、使该结构中的电场在角向上分布较更为均匀，且采用角向均匀设置后相互对称的一组开放共焦波导镜面形成单共焦波导结构；当电磁波进入到双共焦波导结构中时，两组单共焦波导结构中的TE0m模式会进行叠加，从而能够高效的完成模式转换。
综上所述，本发明提供的一种双共焦波导回旋行波管的输入耦合装置，具有结构简单、易于加工的特点、可以用于实验测试且工作频带较宽。
附图说明
图1为本发明实施例的输入耦合器三维结构图；
图2为本发明实施例输入耦合器沿纵向截面图；
图3为本发明实施例输入耦合器横向截面图；
图4为本发明实施例输入耦合器的共焦镜面镜面宽度与衍射损耗关系图；
附图标号说明：1表示标准矩形波导；2双共焦波导；L1表示截止段长度；L2表示直断长度；L3表示输出段长度；R表示共焦波导镜面的曲率半径；2a表示共焦波导镜面的宽度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图，对本发明作为进一步的详细阐述。
如图1、图2、图3所示，本发明提供的一种双共焦波导回旋行波管输入耦合器，包括：双共焦波导2和标准矩形波导1；所述双共焦波导2包括角向均匀设置的4面开放共焦波导镜面；4面开放共焦波导镜面尺寸相同，且它们之间的镜面间距与曲率半径相等。所述标准矩形波导作为输入波导，垂直设于其中一开放共焦波导镜面上，且在该开放共焦波导镜面与标准矩形波导连接处开设有耦合孔；标准矩形波导中的基模通过该耦合孔进入双共焦波导中，并激励起回旋行波管所需的工作模式，完成输入信号的模式转换。
在实际使用时，输入耦合器需要连接电子枪。为防止电磁波进入电子枪对电子束产生干扰，影响输出功率的大小，因此将双共焦波导设置成渐变式结构。具体的，双共焦波导沿输出方向依次分为截止段、直段和输出段，且截止段、直段和输出段的镜面间距与曲率半径逐渐增大。这种设置方式使其连接电子枪的一端(截止段)，具有较小的双共焦波导的镜面间距，一方面解决了电磁波进入电子枪影响输出功率的问题；另一方面，可使朝截止段传播的电磁波通过镜面反射朝正向传播，提高输入耦合器的转换效率。此外通过渐变式结构可以使朝截止段传播的电磁波通过镜面反射朝正向传播，提高输入耦合器的转换效率。
对于输入耦合器而言，标准矩形波导作为信号的输入端，其与双共焦波导连接的位置不同所产生耦合效率也存在差异。针对这一情况，本实施例将标准矩形波导设于直段上，其内壁位于截止段与直段交接处。通过这样的设置方式保证从截止段反射的电磁波与正向传播的电磁波满足同相叠加，从而获得最高的耦合效率。
图4为本发明实施例输入耦合器的共焦镜面镜面宽度与衍射损耗关系图，由图4可知，镜面间隙大小对各个模式的损耗有着决定性的影响，而双共焦波导开放处的镜面间隙的大小则由镜面宽度2a中a的取值大小决定；因此，为了得到最高的模式变换效率，在实际应用时，需要根据应用频率不同对a的取值范围进行优化。
实施例1
依据上述内容制作了本发明的输入耦合器，该耦合器工作频率220GHz。回旋行波管工作模式为TE06模，输入模式为TE10模。制作的紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器主要结构尺寸如下：
标准矩形波导1为标准WR-5矩形波导(1.2954mm×0.6477mm)。双共焦波导为渐变式结构，其中截止段L1＝4.3mm，截止段曲率半径R1＝3.46mm；直段L2＝5.6mm，直段曲率半径R2＝4.3mm；输出段L3＝7mm，输出段曲率半径R3＝4.52mm；镜面宽度为2a，其中a的取值范围为1.5mm～2.4mm，为得到最优模式变换效率，在实施例1中a取值为1.6mm。
本实施例参数得到的S11在220GHz附近有一个频率为219.8GHz的谐振峰。该结构的-3dB带宽为0.3GHz(220.7GHz～221.0GHz)，半功率(-6dB)带宽为2.5GHz(219.4GHz～221.9GHz)。
由此可见，采用本发明提供的输入耦合器结构简单，仅需一个标准矩形波导和一个双共焦波导结构就可以获得回旋行波管高频结构所需的工作模式，且TE06模能够进行叠加，实现高效率耦合。
综上所述，相对于现有技术，本发明的紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器结构简单紧凑，易于加工装配，能够更好的用于实验测试且工作频带较宽。
需要说明的是，上面的实施例只是用于进一步阐述本发明，以便于本领域的普通技术人员更好地理解本发明。在上述内容中，标准矩形波导的尺寸由回旋行波管的工作频率决定，本发明在实际应用过程中，可以根据使用场景选择对应标准的矩形波导尺寸。本发明已通过文字揭露了其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器，包括：双共焦波导和标准矩形波导，其特征在于：
所述双共焦波导包括角向均匀设置的4面开放共焦波导镜面；4面开放共焦波导镜面尺寸相同，且它们之间的镜面间距与曲率半径相等；双共焦波导沿输出方向依次分为截止段、直段和输出段，截止段、直段和输出段的镜面间距与曲率半径逐渐增大形成渐变式结构
所述标准矩形波导设于直段上，其内壁位于截止段与直段交接处；作为输入波导，垂直设于其中一开放共焦波导镜面上，且在该开放共焦波导镜面与标准矩形波导连接处开设有耦合孔；标准矩形波导中的基模通过该耦合孔进入双共焦波导中，并激励起回旋行波管所需的工作模式，完成电磁波的模式转换。
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