CN114512387B - 一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路，属于微波、毫米波真空器件技术领域。本发明可以分别有效的抑制TE11模式的自激振荡和TE21模式的返波振荡。同时，因注‑波互作用产生的高功率电磁能量导入到菱形波导，可以被紧贴矩形波导两宽边侧壁的衰减材料吸收。并且紧贴矩形波导两宽边侧壁的连续衰减材料的表面积远远大于传统介质加载回旋行波管高频互作用电路中衰减陶瓷环的表面积，增加了散热面积，解决了传统介质加载回旋行波管介质加载段因吸收过量能量产生高温而过热出气的问题。因此，有效的提高了回旋行波管的注‑波互作用效率、稳定性和功率容量。

Description

一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路
技术领域
本发明属于微波、毫米波真空器件技术领域，具体是一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路。
背景技术
回旋行波管具有高效率、大功率、宽频带、高增益等特性，因此在高分辨率雷达、大功率通信系统和电子战系统等领域具有广泛的应用前景，在国内以及国际上都受到了高度重视。
介质加载回旋行波管的高频互作用电路是回旋行波管的核心，其结构影响着回旋行波管的带宽、增益、效率等性能。传统的介质加载结构回旋行波管的高频互作用电路一般采用两段式结构：光滑波导段和介质加载段。在传统介质加载回旋行波管中，电子注在高频结构中发生注-波互作用，产生高功率电磁场能量，致使介质加载段中损耗介质吸收过量能量产生高温而过热出气，进而影响回旋行波管的稳定性和功率容量。同时，由于在介质加载中导致电磁波的工作模式的色散曲线和场分布发生很大的变化，导致注-波互作用过程中，电子注的色散曲线和高频电磁场在匹配时同步条件无法达到最佳，从而影响回旋行波管的注-波互作用效率和输出功率。因此，如何提升回旋行波管的注-波互作用效率、稳定性和功率容量是我们的研究重点。
发明内容
针对传统介质加载回旋行波管存在的关于注-波互作用效率、稳定性和功率容量的一些问题，本发明提出一种分布式辐射耦合损耗电路。该结构通过分布式辐射耦合结构，使电子注和电磁场直接接触进行注-波互作用，并增大回旋行波管在高频互作用段的散热面积，能够有效的提高回旋行波管的注-波互作用效率、稳定性和功率容量。
本发明采用的技术方案如下：一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路，包括光滑圆波导和沿圆波导外壁均匀设置的8行菱形波导，相邻行的菱形波导结构尺寸不同，间隔行的菱形波导结构尺寸相同，菱形波导两侧面设置有衰减材料；菱形波导和圆波导之间设置有耦合缝隙；相邻行的菱形波导中长对角线倾斜方向不同。
进一步的，相邻行的菱形波导中，较厚的菱形波导的长对角线向圆波导中波传播方向倾斜，较薄的菱形波导的长对角线向圆波导中波传播方向的反方向倾斜。
进一步的，所述标准光滑圆波导的内半径为6mm，长度为304mm；相邻行的菱形波导中，较厚的菱形波导边长相等为26.5mm，厚度为2.34mm，该菱形波导与光滑圆波导的夹角θ1＝135°，衰减材料厚度为1.24mm；较薄的菱形波导边长相等为12mm，厚度为0.86mm，该菱形波导与光滑圆波导的夹角θ2＝45°，衰减材料厚度为0.53mm。
进一步的，所述衰减材料为陶瓷材料。
所述一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路的工作原理如下：
本发明设计的一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路中，圆波导一端连接着回旋行波管的输入系统和电子枪，另一端连接回旋行波管的输出系统。电子枪发射的回旋电子注进入光滑圆波导中，在高频电磁场中直接与电磁波进行注-波互作用，可以使电子注的色散曲线和高频电磁场在匹配时同步条件达到最佳。通过角向分布的菱形波导的缝隙耦合来调制工作模式和抑制振荡模式。通过紧贴角向分布菱形波导两宽边侧壁的连续衰减材料的衰减特性，抑制TE11模式的自激振荡和TE21模式的返波振荡，从而达到回旋行波管的稳定放大。
本发明的积极效果是：
在本发明的分布式辐射耦合损耗电路中，电子注和电磁场直接接触进行注-波互作用，场分布和色散曲线不受介质衰减材料的影响，电子注的色散曲线和高频电磁场在匹配时同步条件可以达到最佳，有效的提高了回旋行波管的注-波互作用效率和输出能量。
所述的圆波导外壁角向均匀分布的两类8个菱形波导和紧贴矩形波导两宽边侧壁的连续衰减材料结构，可以分别有效的抑制TE11模式的自激振荡和TE21模式的返波振荡。同时，因注-波互作用产生的高功率电磁能量导入到菱形波导，可以被紧贴矩形波导两宽边侧壁的衰减材料吸收。并且紧贴矩形波导两宽边侧壁的连续衰减材料的表面积远远大于传统介质加载回旋行波管高频互作用电路中衰减陶瓷环的表面积，增加了散热面积，解决了传统介质加载回旋行波管介质加载段因吸收过量能量产生高温而过热出气的问题。因此，有效的提高了回旋行波管的注-波互作用效率、稳定性和功率容量。
附图说明
图1为传统介质加载回旋行波管高频互作用电路结构图；其中，1为光滑圆波导段，2为介质加载段。
图2为本发明一种应用于回旋行波管分布式辐射耦合损耗电路的结构图。
图3为本发明一种应用于回旋行波管分布式辐射耦合损耗电路正视图；其中，1为金属光滑圆波导，2-1和2-2为圆波导外壁角向均匀分布(α＝45°)的两类菱形波导，3-1和3-2为紧贴这两类矩形波导两宽边侧壁的连续衰减材料。
图4为单个抑制TE11模式自激振荡结构示意图，由金属标准光滑圆波导1、2-1和3-1构成。
图5为单个抑制TE21模式返波振荡结构示意图，由金属标准光滑圆波导1、2-2和3-2构成。
图6为Ku波段注-波互作用色散曲线。
图7为CST高频仿真软件仿真所得单个抑制TE11模式自激振荡结构的衰减参数(S21参数)与工作频率的关系图。
图8为CST高频仿真软件仿真所得单个抑制TE21模式返波振荡结构的衰减参数(S21参数)与工作频率的关系图。
具体实施方式
下面结合一个Ku波段分布式辐射耦合损耗电路结构的回旋行波管的高频互作用电路的设计实例和附图对本发明作进一步详细的阐述。
Ku波段分布式辐射耦合损耗电路结构的回旋行波管的高频互作用电路的技术指标要求：
主波导工作模式：TE11模；
工作频段：Ku波段(14.5GHz-18GHz)，工作电压60kV,工作电流10A。
本实例提出的一种应用于回旋行波管分布式辐射耦合损耗电路，其结构如附图2、3、4所示，如附3展示，包括标准光滑圆波导1、圆波导外壁角向均匀分布的两类8个菱形波导2-1和2-2，以及紧贴这两类矩形波导两宽边侧壁的连续衰减材料3-1和3-2。
所述标准光滑圆波导的内半径为6mm，长度为304mm。
图4所示单个抑制TE11模式自激振荡结构，由菱形波导2-1和紧贴矩形波导两宽边侧壁的衰减陶瓷3-1构成，矩形耦合缝隙波导的长边l1为26.5mm，厚度w1为2.34mm，菱形波导与光滑圆波导的夹角θ1＝135°，衰减陶瓷的厚度t1为1.24mm。
图5所示单个抑制TE21模式返波振荡结构，由菱形波导2-2和紧贴矩形波导两宽边侧壁的衰减陶瓷3-2构成，矩形耦合缝隙波导的长边l2为12mm，厚度w2为0.86mm，菱形波导与光滑圆波导的夹角θ2＝45°，衰减陶瓷的厚度t2为0.53mm。
图6为Ku波段注-波互作用冷色散曲线示意图。由此图可以看出该回旋行波管工作在基波TE11模式，同时受到基波TE11模式产生的自激振荡和二次谐波TE21模式产生的返波振荡的影响。A点为电子注的色散曲线和高频电磁场在匹配时同步条件达到到最佳的位置，可得TE11模式截止频率为14.64GHz；B点为TE11模式返波起振频率点，为22.59GHz；C点为TE21模式返波起振频率点，为25.59GHz。
图7为CST高频仿真软件仿真所得单个抑制TE11模式自激振荡结构的衰减参数(S21参数)与工作频率的关系图。根据工作电流10A，起振长度和损耗的关系，由小信号理论计算得到，若要抑制TE11模式自激振荡，则在工作频段内衰减需要达到-28.6dB以下。由图6可知，该结构的衰减特性完全可以达到要求，所以能够完全抑制TE11模式的自激振荡，提高回旋行波管的稳定性。
图8为CST高频仿真软件仿真所得单个抑制TE21模式返波振荡结构的衰减参数(S21参数)与工作频率的关系图。根据工作电流10A，起振长度和损耗的关系，由小信号理论计算得到，若要抑制TE21模式返波振荡，则在TE21模式返波振荡频率(即C点)附近衰减需要达到-35dB以下。由图8可知，该结构的衰减特性完全可以达到要求，所以能够完全抑制TE21模式的返波振荡，提高回旋行波管的稳定性。
以上所述，仅为本发明实例应用在Ku波段回旋行波管的具体实施方式，本发明同样适用于其他频段的工作模式为TE11模式或者TE21模式的回旋行波管。

Claims (3)

1.一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路，包括光滑圆波导和沿圆波导外壁均匀设置的8行菱形波导，相邻行的菱形波导结构尺寸不同，间隔行的菱形波导结构尺寸相同，菱形波导两侧面设置有衰减材料；菱形波导和圆波导之间设置有耦合缝隙；相邻行的菱形波导中长对角线倾斜方向不同；
所述光滑圆波导的内半径为6mm，长度为304mm；相邻行的菱形波导中，较厚的菱形波导边长相等为26.5mm，厚度为2.34mm，该较厚的菱形波导与光滑圆波导的夹角 =135°，衰减材料厚度为1.24mm；较薄的菱形波导边长相等为12mm，厚度为0.86mm，该较薄的菱形波导与光滑圆波导的夹角/>=45°，衰减材料厚度为0.53mm。
2.如权利要求1所述的一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路，其特征在于，相邻行的菱形波导中，较厚的菱形波导的长对角线向圆波导中波传播方向倾斜，较薄的菱形波导的长对角线向圆波导中波传播方向的反方向倾斜。
3.如权利要求1所述的一种应用于回旋行波管的分布式辐射耦合损耗电路，其特征在于，所述衰减材料为陶瓷材料。
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