CN114121576A - 一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，所述余弦栅加载折叠波导慢波结构具有周期性结构；所述周期性结构中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，为余弦栅；所述能量耦合器设置在余弦轮廓栅的一侧；其中，能量耦合器靠近余弦栅侧的垂直于慢波结构轴线的端面为T型。该能量耦合器与余弦栅加载折叠波导慢波结构耦合之后，能够减小电磁波扰动，以较小反射完成电磁波信号的高效输入/输出耦合，同时还能够改变电磁波信号的传输方向。此外，该能量耦合器结构简单，仅包括两个矩形波导段，加工方便，易于实现，且不会增加慢波结构在轴线方向上的长度，利于慢波结构的小型化设计。
Description
技术领域
本发明涉及微波真空电子器件领域。更具体地，涉及一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器。
背景技术
行波管作为真空电子设备的一种，具有宽频带，高增益以及小型化等优点，在国防科技、卫星通讯以及微波通讯等方面有着重要应用。慢波结构作为行波管的核心也在不断发展，其中折叠波导慢波结构以及变形结构得到了广泛而深入的研究，已经成为最常用的一种慢波结构。
余弦栅加载折叠波导慢波结构，可以实现宽带宽的性能，而能量耦合器的性能将决定慢波结构的带宽性能能否充分发挥。专利CN105470075A公开了一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，该能量耦合器包括了从矩形波导到余弦栅加载折叠波导慢波结构的过渡段，该过渡段由与矩形波导相同尺寸的矩形单脊波导和渐变单脊波导组成，如果脊波导脊的高度遮挡慢波结构电子注通道，则该耦合器有与慢波结构通道贯通的以波导中心线为轴线的电子注通道，如图1A和1B所示。该结构利用单脊波导对波导下截止频率的降低实现电磁波阻抗匹配，使电磁波在宽频带以较小的反射完成能量输入/输出耦合。但是此能量耦合器的包括一个单脊波导和一个单脊渐变波导，结构复杂；另外，若脊波导的高度高于电子注通道，则需要对脊再次加工，增加了结构的复杂程度，给加工带来了困难；此外，该能量耦合器为沿轴向加载，会额外增加行波管的整体长度，不利于慢波结构小型化的设计要求。
因此，需要提供一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的结构简单、加工方便、利于慢波结构小型化设计的能力耦合器。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，该能量耦合器能够很好的将电磁波信号耦合进余弦栅加载折叠波导慢波结构，并将放大后的能量高效的输出，且可改变电磁波信号的传输方向。同时该能量耦合器结构简单、加工方便。
本发明的另一个目的在于提供一种高频结构，该高频结构包括余弦栅加载折叠波导慢波结构和能量耦合器。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明一个方面，提供一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其中，所述余弦栅加载折叠波导慢波结构具有周期性结构，所述周期性结构中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，为余弦栅；所述能量耦合器设置在余弦栅的一侧；其中，能量耦合器靠近余弦栅侧的垂直于慢波结构轴线的端面为T型。
优选地，该能量耦合器包括第一矩形波导段和第二矩形波导段；所述第一矩形波导段和第二矩形波导段在垂直于慢波结构轴线方向上连通；所述第一矩形波导段的第一宽边长大于第二矩形波导段的第二宽边长。
优选地，所述能量耦合器紧贴余弦栅设置。
优选地，与所述余弦栅紧贴设置的能量耦合器部位包括第一波导段。
优选地，与所述余弦栅紧贴设置的能量耦合器部位包括第一波导段和部分第二波导段。
优选地，所述慢波结构电子注通道与第一矩形波导段对应设置。
优选地，所述第二矩形波导段垂直于慢波结构轴线方向上具有第二高度，所述慢波结构中连接段的高度与第二高度的比值为1:(0.9-1.1)。
本发明的第二个方面，提供一种高频结构，包括余弦栅加载折叠波导慢波结构和能量耦合器，所述余弦栅加载折叠波导慢波结构具有周期性结构，所述周期性结构中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，为余弦栅；所述能量耦合器与所述余弦栅加载折叠波导慢波结构耦合，能量耦合器与邻近的余弦栅对应设置；其中，能量耦合器靠近余弦栅侧的垂直于慢波结构轴线的端面为T型。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种能量耦合器，与余弦栅加载折叠波导慢波结构耦合之后，能够减小电磁波扰动，以较小反射完成电磁波信号的高效输入/输出耦合，同时还能够改变电磁波信号的传输方向。此外，该能量耦合器结构简单，仅包括两个矩形波导段，加工方便，易于实现，且不会增加慢波结构在轴线方向上的长度，利于慢波结构的小型化设计。
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1A-1B示出对比例2中余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器的结构示意图。
图2示出对比例2中余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器的高频系统电压驻波比。
图3A-3D示出本发明实施例中余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器的几何示意图。
图4示出本发明实施例中高频结构的几何示意图。
图5示出本发明实施例中余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器的高频系统电压驻波比。
图6示出对比例1中由矩形波导直接过渡到余弦栅加载折叠波导慢波结构时的电压注波比。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
图3A-3D示出本发明实施例的适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，能量耦合器用于将矩形波导与余弦栅加载折叠波导慢波结构耦合，以便实现电磁场从矩形波导的有效输入/输出。
如图所示，余弦栅加载折叠波导慢波结构1具有周期性结构，所述周期性结构中相邻直波导段11之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，为余弦栅12；所述能量耦合器2设置在余弦栅12的一侧，在垂直于慢波结构轴线方向上，能量耦合器2靠近余弦栅12的端面为T型，如图3D所示。
如图3A和3B所示，该能量耦合器2包括在垂直于慢波结构轴线方向上连通的第一矩形波导段21和第二矩形波导段22；第一矩形波导段21具有第一宽边长a1，沿慢波结构轴线方向上的第一窄边长度b1，垂直于慢波结构轴线方向上的第一高度h1；第二矩形波导段22具有第二宽边长a2，沿慢波结构轴线方向上的第二窄边长度b2，垂直于慢波结构轴线方向上的第二高度h2。其中，第一宽边长a1大于第二宽边长a2，使能量耦合器靠近余弦轮廓栅12的端面在垂直于慢波结构轴线方向上为T型。如图3B和图3C所示，所述能量耦合器2紧贴余弦栅12设置，与余弦栅12紧贴设置的能量耦合器部位包括第一矩形波导段21和部分第二矩形波导段22。
在具体的实施过程中，能量耦合器2紧贴余弦栅12的部位主要是由第二矩形波导段的第二高度h2决定的。若h2的高度超过了慢波结构中连接段13的高度d，则此时能量耦合器2紧贴余弦栅12的部位如图3B和图3C所示，包括第一矩形波导段21和部分第二矩形波导段22。
另一中可能的实施方式是，h2低于慢波结构中连接段13的高度d，则此时，能量耦合器2紧贴余弦栅12的部位就只包括第一矩形波导段21了。
同时，如图3B和图3C所示，所述慢波结构电子注通道14与第一矩形波导段21对应设置。即h2的高度需要低于慢波结构电子注通道14所在的高度。
本发明中余弦栅加载折叠波导慢波结构具有周期性结构，其宽边长为a，窄边长b，周期p，电子注通道的半径rc，相邻直波导段之间连接段的高度d，以及余弦幅值Ac。在一个优选的示例中，所述慢波结构中连接段13的高度d与第二高度h2基本相等，两者比值为1:(0.9-1.1)。
图4示出根据本发明高频系统的一个输出/输入端结构示意图，余弦栅加载折叠波导慢波结构1有周期性结构；所述周期性结构中相邻直波导段的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，为余弦栅；当能量耦合器2用作输出/输入耦合器与余弦栅加载折叠波导慢波结构构成高频系统时，能量耦合器与邻近的余弦栅位置对应的设置，能量耦合器靠近余弦轮廓栅的端面在垂直于慢波结构轴线方向上为T型。
本领域技术人员可根据慢波结构的设计参数，选择合理的结构尺寸，例如波导的宽边长、窄边长和周期等，并通过调整栅端面余弦轮廓的尺寸特别是直波导段栅高度和余弦幅值的大小，来优化折叠波慢波器件的性能。进一步，本领域技术人员可根据慢波结构的设计参数，基于本发明耦合器的结构，选择合理的结构尺寸，例如第一矩形波导段和第二矩形波导段的宽边长、窄边长以及高度等，来实现良好的耦合效率。
对比例1
在短毫米波区域，一种余弦栅加载折叠波导慢波结构具体方案的结构尺寸如下(单位mm)：a＝1.3，b＝0.3，p＝1.32，rc＝0.18，Ac＝0.33。利用简单的矩形波导作为耦合器，矩形波导宽边和窄边分别为a’＝2.54和b’＝1.32，图6示出利用三维模拟软件得出的由矩形波导直接过渡到余弦栅加载折叠波导慢波结构时的电压注波比。由显示的性能可以看出，该慢波结构不能通过直接连接矩形波导获得可用的匹配，这意味着必须引入额外的耦合器进行过渡。
对比例2
在短毫米波区域，一种余弦栅加载折叠波导慢波结构具体方案的结构尺寸如下(单位mm)：a＝1.3，b＝0.3，p＝1.32，rc＝0.18，Ac＝0.33。如图1A-1B所示的能量耦合器的结构尺寸为(单位mm)：矩形波导宽边和窄边分别为a’＝2.54和b’＝1.32，单脊波导段的金属脊的长宽高分别是l1’＝0.792，w’＝0.5和h’＝0.4，渐变单脊波导段脊的长度为l2’＝0.53，该耦合器具有与慢波结构贯通的以波导中心线为轴线的电子注通道结构，对应的电子注通道半径为rc＝0.18。
图2示出了对比例2高频系统匹配性能。通过三维模拟软件得出的结果显示，在30GHz的频带范围内，电压驻波比小于2，在宽频带内实现了较好的匹配。但是此能量耦合器结构复杂，加工工艺繁琐。
实施例
在短毫米波区域，一种余弦栅加载折叠波导慢波结构具体方案的结构尺寸如下(单位mm)：a＝1.51，b＝0.19，p＝0.9，rc＝0.12，Ac＝0.17。根据本发明的能量耦合器的结构尺寸为(单位mm)：第一矩形波导段的a1＝2.54，b1＝0.3，h1＝1.5；第二矩形波导段的a2＝0.5，b2＝0.2，h2＝0.5。
图5示出了本发明中的高频系统匹配性能。通过三维模拟软件得出的结果显示，在40GHz的频带范围内，电压驻波比小于2，特别是在83GHz-98GHz范围内，电压驻波比在1.2以下，在宽频带内实现了比对比例1和2更好的匹配。
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 (8)
1.一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，
所述余弦栅加载折叠波导慢波结构具有周期性结构；所述周期性结构中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，为余弦栅；
所述能量耦合器设置在余弦栅的一侧；
其中，能量耦合器靠近余弦栅侧的垂直于慢波结构轴线的端面为T型。
2.根据权利要求1所述的适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，该能量耦合器包括第一矩形波导段和第二矩形波导段；
所述第一矩形波导段和第二矩形波导段在垂直于慢波结构轴线方向上连通；
所述第一矩形波导段的第一宽边长大于第二矩形波导段的第二宽边长。
3.根据权利要求1所述的适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，所述能量耦合器紧贴余弦栅设置。
4.根据权利要求1所述的适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，与所述余弦栅紧贴设置的能量耦合器部位包括第一矩形波导段。
5.根据权利要求1所述的适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，与所述余弦栅紧贴设置的能量耦合器部位包括第一矩形波导段和部分第二矩形波导段。
6.根据权利要求1所述的适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，所述慢波结构电子注通道与第一矩形波导段对应设置。
7.根据权利要求1所述的适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，所述第二矩形波导段垂直于慢波结构轴线方向上具有第二高度，所述慢波结构中连接段的高度与第二高度的比值为1:(0.9-1.1)。
8.一种高频结构，包括余弦栅加载折叠波导慢波结构和能量耦合器，其特征在于，
所述余弦栅加载折叠波导慢波结构具有周期性结构；所述周期性结构中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，为余弦栅；
所述能量耦合器与所述余弦栅加载折叠波导慢波结构耦合，能量耦合器与邻近的余弦栅位置对应设置；
其中，能量耦合器靠近余弦栅侧的垂直于慢波结构轴线的端面为T型。
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