CN113571392A - 一种用于行波管的波导输能结构及行波管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于行波管的波导输能结构及行波管，其中波导输能结构包括输能窗；位于输能窗一侧的与行波管的慢波结构连接的第一输出波导；以及位于输能窗另一侧的第二输出波导；所述第一输出波导内壁上形成有沿波导的传输方向设置的阶梯波导传输结构；所述第一输出波导上包括有与阶梯波导传输结构相对设置的通孔；所述波导输能结构还包括有内导体；所述内导体穿过通孔与阶梯波导传输结构的靠近通孔的端面结合固定；所述内导体的轴线与波导的传输方向垂直。通过该波导输能结构能够减小行波管的尺寸。

Description

一种用于行波管的波导输能结构及行波管

技术领域

本发明涉及微波真空电子器件领域技术领域。更具体地，涉及一种用于行波管的波导输能结构及行波管。

背景技术

行波管是一种微波真空电子器件，可以放大不同频段的信号，具有大功率、宽频带、高增益、高效率的特点，在电子对抗、雷达和卫星通信等领域得到了广泛的应用。如图5所示，行波管主要由五部分组成，分别是电子枪、聚焦磁系统、慢波结构、输入输出耦合器装置和收集极。其工作原理为电子枪产生一个具有所需尺寸和电流的电子束，电子束从电子枪出来后要穿过细长的慢波结构，高频信号经输入耦合器装置进入行波管内形成沿慢波结构传输的行波。慢波结构的任务是使电磁波的相速降到和电子的运动速度基本相同，以使电子束和电磁波相互作用交换能量。由于磁场的聚焦作用，电子束在慢波结构内沿慢波结构的轴向前进，电子前进的过程伴随着与电磁波的互作用，电子的动能转化为电磁波的能量，从而实现了对输入高频信号的能量放大。高频信号通过输出耦合器装置输出，交出大部分能量的电子最终打到收集极上转化成热能。

但是，现有的行波管的尺寸和重量太大，使得加工以及维修都比较困难，同时随着各个应用领域向小尺寸的方向发展，因此越来越需要研制出小型化的行波管。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的在于提供一种用于行波管的波导输能结构，通过该波导输能结构能够减小行波管的尺寸。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种用于行波管的波导输能结构，包括：

输能窗；

位于输能窗一侧的与行波管的慢波结构连接的第一输出波导；以及

位于输能窗另一侧的第二输出波导；

所述第一输出波导内壁上形成有沿波导的传输方向设置的阶梯波导传输结构；

所述第一输出波导上包括有与阶梯波导传输结构相对设置的通孔；

所述波导输能结构还包括有内导体；

所述内导体穿过通孔与阶梯波导传输结构的靠近通孔的端面结合固定；所述内导体的轴线与波导的传输方向垂直。

此外，优选地方案是，所述第一输出波导、第二输出波导以及输能窗同轴设置。

此外，优选地方案是，所述波导输能结构的馈电方式为后馈式。

此外，优选地方案是，所述第二输出波导的靠近输能窗的一端包括有第一波导法兰；所述第一波导法兰的截面为长方形。

此外，优选地方案是，所述第一波导法兰的尺寸为19.1mm*14mm*1.2mm。

此外，优选地方案是，所述内导体与阶梯波导传输结构通过钎焊方式结合固定。

此外，优选地方案是，所述输能窗上包括有用以与第一波导法兰连接的对接结构；所述对接结构的尺寸为19.1mm*14mm*1.8mm。

此外，优选地方案是，所述输能窗的外径尺寸为15.5mm。

本发明的另一个目的在于提供一种行波管，所述行波管包括如上所述的波导输能结构。

此外，优选地方案是，所述行波管包括有与慢波结构结合固定的第一连接件，所述第一输出波导上包括有第二连接件，所述第一连接件与第二连接件结合固定。

本发明的有益效果为：

本发明通过阶梯波导传输结构与内导体的连接实现信号的传输，同时内导体的轴线与波导的传输方向垂直，直接实现了信号传输方向转变90°无需再额外使用其他配件实现传输信号的转向，使波导输能结构与行波管之间的距离大大缩短，有效减小了行波管的尺寸，促进了行波管的小型化，拓展了行波管的应用范围。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的第一输出波导的结构示意图。

图3是本发明与收集极的配合示意图。

图4是现有技术中的波导转换结构的示意图。

图5是行波管的结构示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

现有的行波管与固态微波放大器相比，虽然可以提供足够大的输出功率，但其需要加很高的工作电压，所以在实际工作中，并不太方便加电使用。此外，行波管的尺寸和重量太大，不太方便用户使用。因此面对固态微波放大器的挑战，越来越需要研制出实用的低电压、高可靠性的小型化行波管。微波功率模块(MPM)采用固态放大器作激励级，行波管作为输出级，将固态放大器与行波管集成起来，兼具了固态器件和电真空器件的优点，已被广泛应用在电子武器装备系统及卫星通信等各个军事、民用领域。MPM的发展也要求行波管越来越小型化。将行波管进行小型化设计，可以扩展行波管的应用范围。

行波管的小型化可以通过分别小型化其长度(L)、高度(H)和宽度(W)来实现。例如，长度可以通过缩短慢波结构满足，高度可以通过减小其电子枪、高频段和收集极的径向尺寸而满足；相比较而言，对行波管的宽度进行小型化比较困难。合理的小型化行波管宽度对于充分利用MPM内部空间，提高MPM的集成度很有必要。行波管的输入、输出装置即输能结构在决定行波管的宽度尺寸大小上起了重要作用。

行波管的输出结构是将经过行波管放大的射频信号输出到下一级设备的结构部分。一般在频率较低或功率较小时采用同轴结构；反之，则用波导结构。对于毫米波段的大功率(输出功率在几十瓦量级或以上)行波管，信号输出部分采用的是波导结构。

参照图4所示，现有技术中的波导输能结构的外沿到行波管轴向中心线的距离为40.47mm，现有技术中波导输能结构的横向中心轴到行波管轴向中心线的距离为27.72mm。使得行波管的尺寸过大；而且最右侧的波导组件不可拆装，无法重复回收再利用，增加了行波管的成本。

而且常规的波导输能结构的馈电方式采用直馈式，即内导体平行于输能窗左侧的波导内的阶梯波导的传输方向,为了实现行波管在轴向输出功率，需要额外增加弯波导，进一步增加了行波管的尺寸。另外，现有技术的输能窗设置在收集极外侧，也增加了行波管的尺寸。

为了减小行波管的尺寸，促进行波管向小型化发展。本发明提供一种用于行波管的波导输能结构，结合图1至图3所示，具体地所述用于行波管的波导输能结构包括：输能窗11；位于输能窗11一侧的与行波管的慢波结构连接的第一输出波导12；以及位于输能窗11另一侧的第二输出波导13；所述第一输出波导12内壁上形成有沿波导的传输方向设置的阶梯波导传输结构121；所述第一输出波导12上包括有与阶梯波导传输结构121相对设置的通孔122；所述波导输能结构10还包括有内导体14；所述内导体14穿过通孔122与阶梯波导传输结构121的靠近通孔122的端面结合固定；所述内导体14的轴线与波导的传输方向垂直。本实施例中通过在第一输出波导12的波导腔内设计阶梯阻抗变换台阶即阶梯波导传输结构121，再将内导体14固定在最高的阻抗变换台阶上也就是说内导体14与阶梯波导传输结构121的靠近通孔122的端面结合固定，以实现同轴低阻抗到波导高阻抗的阻抗变换以及同轴TEM模到波导TE模的传输模式转换。内导体14垂直于波导传输方向，使得行波管省去了弯波导，从而减小行波管的尺寸。

为了减小行波管的宽度及高度以促进行波管的小型化，具体地，本发明的波导输能结构10的外沿到行波管轴向中心线的距离为24.45mm，而现有技术的距离为40.47mm，本发明将距离缩小了40％；本发明的波导输能结构10的横向中心轴到行波管轴向中心线的距离为14.88mm，相对于现有技术的27.72mm，距离缩小了46％。从而有效减小了行波管的尺寸，而波导输能结构10在行波管高度上占用的尺寸由22.7mm减小到19.1mm，减小3.6mm，减小了16％。从而有利于实现行波管的小型化，拓宽行波管的应用场景。

可以理解的是，输能窗11是行波管功率输出的重要部件，输能窗11起的作用是将管内真空环境与外界大气隔开，并保证射频信号能低损耗穿过；在输能窗11后连接第二输出波导13，用以与外部结构实现连接。

在一具体的实施例中，所述波导输能结构10的馈电方式为后馈式。将波导转换的馈电方式由直馈式变为后馈式，即内导体垂直于第一输出波导内的阶梯波导传输结构的传输方向,后馈式波导输能使得行波管省去了弯波导，直接实现了信号传输方向转变90°，所述第一输出波导12、第二输出波导13以及输能窗11同轴设置，通过横向中心线重合对接来实现行波管信号的轴向输出，而且使波导输能结构10的横向中心轴到行波管轴向中心线的距离由27.72mm减小到了14.88mm，减小了45％,从而减小了行波管的尺寸。

在一具体的实施例中，所述内导体14与阶梯波导传输结构121通过钎焊方式结合固定。内导体14的下端与行波管的螺旋线通过过渡天线焊接固定，保证慢波结构与输能结构之间实现良好匹配。内导体14的上端垂直插入阶梯波导传输结构121的靠近通孔122的端面上即阶梯波导传输结构121的最高的那一节阶梯阻抗变换台阶上，该台阶上有配合孔，内导体14通过钎焊固定在配合孔内。

在一具体的实施例中，所述第二输出波导13的靠近输能窗11的一端包括有第一波导法兰131；所述第一波导法兰131的截面为长方形。在本实施例中，所述第一波导法兰131的尺寸为19.1mm*14mm*1.2mm。为了促进行波管小型化，第二输出波导13的中间位置为细长的直波导，两端分别为第一波导法兰131及标准波导法兰。第一波导法兰131端面为19.1mm*14mm的长方形，相比于现有技术中的与输能窗11对接的圆形波导法兰尺寸Φ22.7mm来说，第一波导法兰131面积减小了1/3。行波管高度方向上最高的位置为与输能窗11对接的波导法兰，由于标准波导法兰端面为19.1mm*19.1mm的正方形，输能窗11与第二输出波导13对接时，为了不增加行波管高度尺寸，同时减小行波管的宽度尺寸，将第一波导法兰131的长边(19.1mm)放在行波管的高度方向上，短边(14mm)放在行波管的宽度方向上，在行波管高度上占用的尺寸由22.7mm减小到19.1mm，减小了3.6mm，减小了16％，同时在行波管宽度上占用的尺寸由22.7mm减小到14mm，减小了38％。

同时，为了能将输能窗11和第一波导法兰131放进收集极20与内导体14之间的狭小空间，以便进一步减小行波管的宽度尺寸，将第一波导法兰131做了薄形设计，使其厚度仅为1.2mm，是常规法兰厚度的1/2。

在一具体的实施例中，所述输能窗11上包括有用以与第一波导法兰131连接的对接结构111；所述对接结构111的尺寸为19.1mm*14mm*1.8mm。为了配合第一波导法兰131的可拆卸螺钉安装，在输能窗11上增加了截面为长方形的对接结构111，其尺寸为19.1mm*14mm*1.8mm，并将该对接结构111的位置设计在输能窗11的中部，不占用输能窗11的厚度尺寸，保证输能窗11及第一波导法兰131能放进收集极20前的狭小空间里，从而有利于行波管尺寸的减小。

在一具体的实施例中，所述第二输出波导13与输能窗11螺接，使得第二输出波导13可拆装，能够回收重复再利用，降低了行波管的成本。具体地，输能窗11与第二输出波导13在配接面贴合后，固定在输能窗11中部的对接结构111与第一波导法兰131之间通过4颗螺钉穿过对应的螺纹孔连接固定。

在一具体的实施例中，所述输能窗11的外径尺寸为15.5mm。为了进一步减小行波管的宽度以及高度尺寸。对输能窗11进行了小型化结构设计，减小输能窗11的尺寸，使输能窗11在行波管宽度方向上的尺寸为Φ15.5mm，相对于现有的输能窗外径Φ22.7mm，输能窗11在行波管宽度方向上占用的尺寸减小了1/3，而在行波管高度上占用的尺寸由22.7mm减小为15.5mm，减小了7.2mm。输能窗11与第一波导法兰131对接后尺寸为Φ15.5mm*7.03mm，相对于现有技术的尺寸Φ22.7mm*12.41mm，体积减小了2/3。与现有的输能窗放置在收集极外侧的布局对比，采用本发明的波导输能结构10的行波管尺寸明显更小。

可以理解的是，第一输出波导12与输能窗11之间通过氩弧焊焊接固定，保证气密性；第一波导法兰131与直波导及标准波导法兰的配接处通过钎焊固定，形成第二输出波导13，第二输出波导13不需要气密。通过上述设置，完成了用于行波管的波导输能结构10与行波管高频段的连接，在行波管轴向上实现了功率输出，促进行波管小型化的同时，降低了行波管成本。

本发明实施例还公开了一种设有上述波导输能结构10的行波管，该行波管具有小型化的特点。对具有本发明波导输能结构10的行波管进行测试后，该结构的电压驻波比在26GHz～40GHz频带内达到了1.4以下，达到了良好的阻抗匹配水平。

另外，所述行波管包括有与慢波结构结合固定的第一连接件15，所述第一输出波导上包括有第二连接件16，所述第一连接件15与第二连接件16结合固定。第一连接件15以及第二连接件16均呈筒状，第二连接件16套接固定在第一连接件15内，具体地，第一连接件15内形成有环状凸台，第二连接件16的底面边缘与环状凸台抵接；内导体14穿过第一连接件15与第二连接件16共同形成的腔体且内导体14的底部与慢波结构的螺旋线搭接焊好。

综上所述，本发明通过阶梯波导传输结构与内导体的连接实现信号的传输，同时内导体的轴线与波导的传输方向垂直，直接实现了信号传输方向转变90°无需再额外使用其他配件实现传输信号的转向，使波导输能结构与行波管横向中心轴之间的距离大大缩短，有效减小了行波管的尺寸，促进了行波管的小型化，拓展了行波管的应用范围。另外，第二输出波导与输能窗之间的固定方式由常规的氩弧焊焊接改进为可拆装的螺钉连接，实现了可回收利用，降低了行波管的制造成本。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种用于行波管的波导输能结构，其特征在于，包括：

输能窗；

位于输能窗一侧的与行波管的慢波结构连接的第一输出波导；以及

位于输能窗另一侧的第二输出波导；

所述第一输出波导内壁上形成有沿波导的传输方向设置的阶梯波导传输结构；

所述第一输出波导上包括有与阶梯波导传输结构相对设置的通孔；

所述波导输能结构还包括有内导体；

所述内导体穿过通孔与阶梯波导传输结构的靠近通孔的端面结合固定；所述内导体的轴线与波导的传输方向垂直。

2.根据权利要求1所述的用于行波管的波导输能结构，其特征在于，所述第一输出波导、第二输出波导以及输能窗同轴设置。

3.根据权利要求1所述的用于行波管的波导输能结构，其特征在于，所述波导输能结构的馈电方式为后馈式。

4.根据权利要求1所述的用于行波管的波导输能结构，其特征在于，所述第二输出波导的靠近输能窗的一端包括有第一波导法兰；所述第一波导法兰的截面为长方形。

5.根据权利要求4所述的用于行波管的波导输能结构，其特征在于，所述第一波导法兰的尺寸为19.1mm*14mm*1.2mm。

6.根据权利要求1所述的用于行波管的波导输能结构，其特征在于，所述内导体与阶梯波导传输结构通过钎焊方式结合固定。

7.根据权利要求4所述的用于行波管的波导输能结构，其特征在于，所述输能窗上包括有用以与第一波导法兰连接的对接结构；所述对接结构的尺寸为19.1mm*14mm*1.8mm。

8.根据权利要求1所述的用于行波管的波导输能结构，其特征在于，所述输能窗的外径尺寸为15.5mm。

9.一种行波管，其特征在于，所述行波管包括如权利要求1-8任一项所述的波导输能结构。

10.根据权利要求9所述的行波管，所述行波管包括有与慢波结构结合固定的第一连接件，所述第一输出波导上包括有第二连接件，所述第一连接件与第二连接件结合固定。

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