CN114864360B - 一种超宽带螺旋线行波管及其螺旋线慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带螺旋线行波管及其螺旋线慢波结构，螺旋线慢波结构包括外壳、通过若干个夹持杆结合固定于外壳内的螺旋线以及设置在外壳内壁上的若干个金属加载，所述夹持杆由金属段和介质段构成。相较于传统的采用全介质夹持杆的螺旋线慢波结构，本发明提出了一种新的螺旋线慢波结构，通过采用部分金属部分介质夹持杆，从而在不改变螺旋线慢波结构角向空间结构复杂程度的情况下，增加了金属加载部分，使慢波结构的色散曲线呈现反常色散特性，结合负‑正‑负‑负的螺距变化方式，从而使得螺旋线行波管在工作频带范围内都可以获得较大的输出功率。

Description

一种超宽带螺旋线行波管及其螺旋线慢波结构
技术领域
本发明属于螺旋线行波管技术领域，具体涉及一种超宽带螺旋线行波管及其螺旋线慢波结构。
背景技术
螺旋线行波管具有高增益、大功率和宽频带等优点，在微波电真空器件中占据着重要地位被广泛应用于军事科技领域。随着各国军事科技和装备的不断发展，对螺旋线行波管的性能指标要求越来越高，输出功率向更高的方向推进，工作频带也越来越宽。对螺旋线行波管来说，拓宽频带和提升功率能减少电子对抗系统的用管数量，节约经济成本，带来重大的经济效益。
n倍频程是指：Fh(最高频率)/Fl(最低频率)＝2的n次方。一般的，工作频带为2倍频程及以上的螺旋线行波管被称为超宽带螺旋线行波管。倍频程的螺旋线行波管在设计时存在的两个难点是：1、如何实现全频带范围内都有较大的输出功率；2、如何抑制低频段存在的丰富的谐波。慢波结构是影响行波管性能的重要结构，传统的采用全介质夹持杆的螺旋线慢波结构较难满足超宽带螺旋线行波管在带宽和谐波抑制等方面的性能需求。
发明内容
本发明提供了一种适用于超宽带螺旋线行波管的新型螺旋线慢波结构，在此结构基础上，使用螺距跳变和渐变的方法，使得螺旋线行波管在工作频带范围内都可以获得较大的输出功率，且能够较好的抑制谐波。
本发明通过下述技术方案实现：
一种螺旋线慢波结构，包括外壳、通过若干个夹持杆结合固定于外壳内的螺旋线以及设置在外壳内壁上的若干个金属加载，所述夹持杆由金属段和介质段构成。
相较于传统的采用全介质夹持杆的螺旋线慢波结构，本发明提出了一种新的螺旋线慢波结构，通过采用部分金属部分介质夹持杆，从而在不改变螺旋线慢波结构角向空间结构复杂程度的情况下，增加了金属加载部分，使慢波结构的色散曲线呈现反常色散特性，从而使得螺旋线行波管在超过2个倍频程的工作频带范围内都可以较好工作。
作为优选实施方式，本发明的慢波结构采用螺距跳变和渐变方式，抑制谐波的同时提高输出功率。
作为优选实施方式，本发明的螺距跳变和渐变方式，具体为：
螺距整体呈现为p1-p2-p3-p4-p5的变化形式；
其中，p1段为初始段，p2为负跳变段，p3为正跳变段、p4为负跳变段、p5为负跳变段；且p3段、p4段和p5段中间增加渐变段。
作为优选实施方式，本发明的p3段螺距高于p2段螺距0.02～0.03mm，p3段长度为总长度6％～8％。
本发明通过采用螺距跳变和渐变方式，在提高输出功率的同时能够很好的抑制谐波。
作为优选实施方式，本发明的慢波结构在所述外壳径向方向上，N个所述夹持杆关于所述螺旋线角向对称设置，其中，N为大于等于2的整数。
作为优选实施方式，本发明的夹持杆的径向剖面结构为矩形、圆形、扇形或T形。
作为优选实施方式，本发明的慢波结构在所述外壳径向方向上，N个所述金属加载与N个所述夹持杆交错设置，且N个所述金属加载关于所述螺旋线角向对称设置。
作为优选实施方式，本发明的金属加载的径向剖面结构为矩形、圆形、扇形、楔形、凸形、凹形或T形。
第二方面，本发明提出了一种超宽带螺旋线行波管，包括本发明所述的螺旋线慢波结构。
第三方面，本发明提出了一种超宽带螺旋线行波管，包括本发明所述的螺旋线慢波结构，该行波管工作频率为8～38GHz，全频带输出功率大于140W，二次谐波比小于-5.72dBc，三次谐波比小于-9.72dBc。
本发明具有如下的优点和有益效果：
相较于传统的螺旋线慢波结构，本发明提出了一种新型螺旋线慢波结构，该结构在不改变螺旋线慢波结构角向空间结构复杂程度的情况下，增加了金属加载部分，使慢波结构的色散曲线呈现反常色散特性，结合负-正-负-负的螺距变化方式，从而使得螺旋线行波管在工作频带范围内都可以获得较大的输出功率，且能够较好的抑制谐波，提高输出功率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例的慢波结构截面示意图。
图2为本发明实施例的慢波结构与传统的慢波结构归一化相速曲线对比图。
图3为本发明实施例的慢波结构螺距分布示意图。
图4为本发明实施例的慢波结构与传统的慢波结构输出功率对比图。
图5为本发明实施例的P3段有无正跳变的二次谐波抑制比结果。
图6为本发明实施例的P3段有无正跳变的三次谐波抑制比结果。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-外壳，2-螺旋线，3-夹持杆，31-金属段，32-介质段，4-金属加载。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
相较于传统的宽带螺旋线慢波结构，采用的全介质夹持杆，本实施例提出了一种新的螺旋线慢波结构，该螺旋线慢波结构采用的夹持杆为金属+介质夹持杆，其在不改变螺旋线慢波结构角向空间结构复杂程度的情况下，增加了金属加载部分，使慢波结构的色散曲线呈现反常色散特性。
如图1所示，本实施例提出的螺旋线慢波结构包括外壳1、通过若干个夹持杆3结合固定于外壳1内的螺旋线2以及设置在外壳1内壁上的若干个金属加载4；本实施例采用的夹持杆3靠近外壳1的部分31为金属材料，靠近螺旋线2的部分32采用石英、氧化铍和氮化硼等介质材料。其中，a为螺旋线2的内径，rn为金属加载4的内端面半径，h为夹持杆3介质段32的长度。
本实施例提出的慢波结构与传统的宽带螺旋线慢波结构相比，采用部分金属部分介质的夹持杆取代了全介质夹持杆，可以在不改变螺旋线慢波结构角向空间结构复杂程度的情况下，增加了金属加载部分，使慢波结构的色散曲线呈现反常色散特性。
本实施例中，在外壳1径向方向上，N个夹持杆3关于螺旋线角向对称设置，其中，N为大于等于2的整数。本实施例的图示结构以3个夹持杆为例进行示例说明，其并不对此进行限制。
本实施例的夹持杆3的径向剖面结构可为矩形、圆形、扇形、T形等，本实施例的图示结构以矩形夹持杆为例进行示例说明，但并不对此进行限制。
本实施例中，在外壳1径向方向上，N个所述金属加载与N个所述夹持杆交错设置，且N个所述金属加载关于螺旋线角向对称设置。基于夹持杆的数量，本实施例的图示结构以3个金属加载4为例进行示例说明，但并不对此进行限制。
本实施例的金属加载4的径向剖面结构可为矩形、圆形、扇形、楔形、凸形、凹形、T形等，本实施例的图示结构以T型金属加载4为例进行示例说明，但并不对此进行限制。
本实施例提出的慢波结构，采用螺距跳变和渐变的方式，达到抑制谐波(主要是二次谐波和三次谐波)，提高输出功率的目的。
本实施例还提出了一种超宽带螺旋线行波管，采用本实施例提出的螺旋线慢波结构。
实施例2
本实施例以8-38GHz超宽带螺旋线行波管的设计为例对上述实施例1提出的螺旋线慢波结构进行性能测试。
具体包括：
本实施例的2.25倍频程螺旋线行波管采用上述实施例1提出的新的螺旋线慢波结构。
该慢波结构与传统的宽带螺旋线慢波结构相比，在于用部分金属部分介质矩形夹持杆取代了全介质矩形夹持杆，从而在不改变螺旋线慢波结构角向空间结构复杂程度的情况下，增加了金属加载部分，使慢波结构的色散曲线呈现反常色散特性。
在采用T型金属加载翼片的情况下，比较传统的全介质矩形夹持杆和部分金属部分介质矩形夹持杆的归一化相速曲线，从图2可知，加载了部分金属部分介质夹持杆的色散曲线呈现反常色散特性，而且色散曲线更加平坦，有助于螺旋线行波管工作在超宽频带。
本实施例设定工作电压在7150V，通过公式计算得到螺旋线内径a＝0.36mm。
在各个结构尺寸参数中，夹持杆介质部分长度h和T型金属加载内径rn对高频特性影响较大。
通过调整慢波结构尺寸，使低频段呈现反常色散，而在高频段呈现弱色散特性，尽量保持平坦，这样不仅有助于抑制谐波，又使得色散曲线整体变化幅度较小，有利于行波管工作在宽频带。本实施例最终选定夹持杆介质部分长度h＝0.29mm，T型金属加载内径rn＝0.58mm。
本实施例在螺旋线行波管的设计中，螺距变化形式采用：整体呈现负(p2)-正(p3)-负(p4)-负(p5)的变化形式，抑制谐波的同时提高输出功率，螺距分布如图3所示。其中，初始均匀p1段在输入段激励增长波；p2段为负跳变段，是为了适当降低电磁波的相速度，使电子注与电磁波更好地进行能量交换；p4和p5段与p2段同理，均为负跳变段，用于适当降低电磁波的相速度，延长注波互作用的时间，使电子注尽可能多的把能量交给电磁波，提高输出功率。
本实施例通过在p2段和p4段之前增加p3段的正跳变段，使得谐波对基波有一定相移而不利于进行能量交换，达到进一步抑制谐波的目的。
本实施例在在p3、p4和p5段中间增加渐变段有助于提高输出功率和避免返波振荡的产生。
本实施例通过增加P3段正跳变可以加强对低频段谐波的抑制，但是会对高频段的输出功率有一定影响，因此P3段的长度以及螺距的增加量需要根据低频段谐波抑制和高频段输出功率需求来综合考虑确定。本实施例最终确定的螺距精度为0.01mm，p3段螺距大于p2段螺距0.02～0.03mm，长度为总长的6％～8％。本实施例的图中是以p3段螺距大于p2段螺距0.02mm，长度为总长的7％进行示例说明，但不对此进行限制。
从图4可知，与均匀螺距相比，采用上述负(p2)-正(p3)-负(p4)-负(p5)的螺距变化形式，输出功率有明显的提升，且全频段都有较大输出功率。
比较P3段有无正跳变对谐波的影响，从图5和图6可知，P3段正跳变对低频点的谐波抑制效果明显，8GHz处的二次谐波从-4.05dBc减小为-6.2dBc，9GHz处的二次谐波从-3.38dBc减小为-6.23dBc，10GHz处的三次谐波从-8.27dBc减小为-10.23dBc。
使用上述方法，设计的工作频率为8-38GHz的螺旋线行波管，全频带输出功率大于140W，二次谐波比小于-5.72dBc，三次谐波比小于-9.72dBc。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种螺旋线慢波结构，包括外壳（1）、通过若干个夹持杆（3）结合固定于外壳内的螺旋线（2）以及设置在外壳（1）内壁上的若干个金属加载（4），其特征在于，所述夹持杆（3）由金属段（31）和介质段（32）构成；所述金属段采用金属材料，所述介质段采用石英、氧化铍或氮化硼；采用螺距跳变和渐变方式，抑制谐波的同时提高输出功率；所述螺距跳变和渐变方式，具体为：
螺距整体呈现为p1-p2-p3-p4-p5的变化形式；
其中，p1段为初始段，p2为负跳变段，p3为正跳变段、p4为负跳变段、p5为负跳变段；且p3段、p4段和p5段中间增加渐变段；p3段螺距高大于p2段螺距0.02~0.03mm，p3段长度为总长度6%~8%。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋线慢波结构，其特征在于，在所述外壳（1）径向方向上，N个所述夹持杆（3）关于所述螺旋线（2）角向对称设置，其中，N为大于等于2的整数。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋线慢波结构，其特征在于，所述夹持杆（3）的径向剖面结构为矩形、圆形、扇形或T形。
4.根据权利要求2所述的一种螺旋线慢波结构，其特征在于，在所述外壳（1）径向方向上，N个所述金属加载（4）与N个所述夹持杆（3）交错设置，且N个所述金属加载（4）关于所述螺旋线（2）角向对称设置。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋线慢波结构，其特征在于，所述金属加载（4）的径向剖面结构为矩形、圆形、扇形、楔形、凸形、凹形或T形。
6.一种超宽带螺旋线行波管，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的螺旋线慢波结构。
7.一种超宽带螺旋线行波管，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的螺旋线慢波结构，该行波管工作频率为8~38GHz，全频带输出功率大于140W，二次谐波比小于-5.72dBc，三次谐波比小于-9.72dBc。
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