CN114783849A - 一种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器 - Google Patents

一种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器 Download PDF

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张晨
王维
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Abstract

该发明公开了一种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器，本发明属于微波、毫米波器件技术领域。该发明包括功率分配部分、模式转换部分、截止段部分。采用Y型功分器与同轴谐振腔连接的方式，实现四路功率分配。所采用的四路对称馈源的方式，达到了抑制杂模，降低反射系数、提高转换效率，增加带宽的有益效果。

Description

一种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦 合器
技术领域
本发明属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域，具体地说是一种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器，可以应用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(Gyro-TWT)放大器作为一种基于电子回旋脉塞机理的微波电真空器件，由于其在毫米波乃至太赫兹频段所表现出的宽频带、大功率、高效率等特性，使其在现代高性能雷达、远距离通信技术、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。
传统的回旋行波管一般采用圆波导作为高频互作用结构，为了防止寄生振荡对工作状态的破坏，常使其工作在低阶模式。但当回旋行波管向更高频段发展时，高频结构尺寸的急剧减小带来电子注通道受阻以及回旋行波管的功率容量受限的严重问题。为此美国麻省理工学院(MIT)提出了采用单共焦波导这一准光结构作为回旋行波管的互作用结构。这种准光结构具有较为稀疏的模式密度并且由于两侧的开放边界使其具有分布损耗的特点，这种损耗对不同模式是不同的，选用损耗小的模式作为工作模式而其余竞争模式则具有很大的损耗。因此共焦波导回旋行波管可以稳定工作在高阶模式，解决了由于尺寸共度效应而无法扩展至高频段的困难(详见“High-Power 140-GHz Quasioptical GyrotronTraveling-Wave Amplifier”，作者：J.RSirigiri等人，2003年)。
然而由于单共焦波导的横向场分布不均匀，导致电子注和高频场互作用效率较低。为了解决这个问题，国内外学者提出了采用双共焦波导作为互作用结构的方案。相比于单共焦波导，双共焦波导的横向场分布更加均匀，且同样具有准光结构低模式密度的特点，因此具有巨大的发展潜力。
输入耦合器是回旋行波管的一个关键部件，它位于电子枪和高频结构之间，用于将基模信号转换为参与注-波互作用的高阶模式。
发明内容
为了解决双共焦波导回旋行波管TE0n模输入耦合器结构复杂，杂模抑制困难，转换效率低的问题。本发明提出了一种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管TE0n模输入耦合器，这一输入耦合器可以实现从矩形波导的基模TE10模到双共焦波导的高阶模TE0n(n>＝2)模的转换。性能优异的输入耦合器可以减轻回旋行波管对前级驱动源的要求，并且对整管性能的提升有着重大的帮助。
本发明采用的技术方案如下：双共焦波导回旋行波管输入耦合器主要由功率分配部分和模式变换部分和截止段部分组成。
所述功率分配部分包括矩形波导、一个Y型H面功分器、一个带有六个耦合孔洞的同轴谐振腔、四个耦合短波导。输入功率首先通过一个Y型功率分配器被分成两列幅度相等的信号。然后每列信号再通过同轴谐振腔外侧的两个耦合孔将电磁波注入到同轴谐振腔。
进一步地，注入到同轴谐振腔的电磁波在腔体里激励起TEq,1,1模，在同轴谐振腔内侧开四个均匀分布的矩形耦合孔。
进一步地，四个耦合孔通过四个矩形波导与模式变换段相连接。
所述模式变换部分，由封闭式双共焦波导构成，即当双共焦波导的镜宽拓宽至形成封闭的波导结构。上述的同轴谐振腔耦合输出的四路信号分别通过四个耦合孔注入到封闭式双共焦波导内，最终在封闭式双共焦波导内激励起TE0n模。
所述截止段部分与模式变换部分相连接，是一个由模式变换段大口径波导变换为小口径波导的渐变结构，其作用是减少TE0n模反向传输造成的能量损失以及对电子枪造成的影响。
本发明具有如下优点：1)转换效率高，高于93％；2)模式纯度高；3)结构简单，易于加工；
附图说明
附图1是本发明基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器3-D示意图。
附图2是本发明基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器的正视图。
附图3是本发明基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器的侧视图。
附图4是本发明基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器S参数关系图。
具体实施方式
下面结合一个设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护的限制，该领域的技术熟悉人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
本实施例工作波段：218-222GHz.
图1为基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器3维结构示意图；图2为输入耦合器的正视图；图3为输入耦合器的侧视图。该实施例包括：功率分配部分：标准矩形波导1，Y型功分2，同轴谐振腔3，四段耦合波导4,5,6,7。模式变换部分：带有四个耦合孔的封闭式双共焦波导8。截止段部分：过渡波导9、截止波导10。
1、功率分配部分
标准矩形波导1为标准矩形波导WR4：宽边尺寸1.092mm，窄边尺寸0.546mm.
Y型功分器2：输入端口尺寸：宽边尺寸1.092mm，窄边尺寸0.546mm：在分支处宽边尺寸保持不变，窄边尺寸由最窄处0.3mm渐变为0.546mm，两臂长度为7.6mm。
同轴谐振腔3的内圆半径为3.3mm，外圆半径为3.96mm，腔长为1.28mm。
四段尺寸相同的耦合矩形波导4,5,6,7，宽边长为1.26mm，窄边长0.63mm。
2、模式变换部分
模式变换部分的封闭式双共焦波导8由四面曲率半径为4.4mm镜宽为3.62mm的镜面组成，每面反射镜的圆心位于相对镜面的中心处。
模式变换段上开有四个宽边长为1.26mm，窄边长为0.63mm的矩形孔，用以接收来自功率分配部分的四路信号。
3、截止段部分
过渡波导9连接模式变换段8与截止段10，是一段口径渐变的波导，长度为2mm。
截止波导10的曲率半径为2.5mm，镜宽2.1mm。
图4为本实施例基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器的S-参数随频率变化的关系图。由图可知，该输入耦合器的TE10-TE06传输系数的-3dB以上带宽覆盖范围从218GHz到222GHz。由图可知，输入端TE10模到其他寄生模式(PMA PMB PMC PMD)的传输系数均比较低，从而实现了TE10-TE06的高效率模式转换，最高转换效率为93％，并且确保了模式的高纯洁度。

Claims (4)

1.一种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器，其特征在于，包括功率分配部分、模式变换部分和截止段部分；
所述功率分配部分，由一个Y型功分器与带有耦合孔的同轴谐振腔组成，而后两路信号与同轴谐振腔连接；所述模式变换部分，由一段带有四个耦合孔的封闭式双共焦波导构成；所述截止段部分，由一段截止波导(口径约为模式变换段波导的0.5倍)和一段连接截止波导与模式变换段的过渡波导组成。
2.如权利要求1所述一种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器，其特征在于为了实现从一路功率到四路功率的划分，且所划分的四路信号具有特定的相位分布。通过设定合适的同轴谐振腔尺寸，从而激励起特定的模式，并在同轴谐振腔内侧均匀分布四个耦合孔洞。
3.如权利要求1所述一种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器，其特征在于同轴谐振腔内侧的四个耦合孔洞通过矩形波导与模式变换段上的四个耦合孔进行连接，并激励起回旋行波管所需要的工作模式，实现电磁波模式的变换。
4.如权利要求1所述种基于同轴谐振腔结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器，其特征在于模式变换段以及截至段均采用封闭式双共焦波导，以减少因波导开放带来的衍射损耗。
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