CN114937584A - 一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，属于微波、毫米波电真空器件技术领域。应用于85‑100GHz频段，工作模式为TE03模，包括同轴且依次连接的输入段、过渡段、预群聚段和输出段；输入段、过渡段、预群聚段、输出段的内部腔体为半径相同的圆柱形腔体；其中过渡段的圆柱形腔体外侧加载有锥形介质环结构；预群聚段的圆柱形腔体部分沿角向均匀插入有若干介质插片，且介质插片的长度与预群聚段的长度相同。本发明结构提高了竞争模式的起振长度，增加了起振电流，进而抑制竞争模式的振荡；并实现了回旋行波管稳定的高功率、宽带宽和高增益输出，有效增大高频系统的体积，提高了高频系统的功率容量，降低高频系统的加工难度和成本。

Description

一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构
技术领域
本发明属于微波、毫米波电真空器件技术领域，具体涉及一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构。
背景技术
回旋行波管是一种基于相对论电子回旋脉塞机理的电真空器件，在毫米波段具有高功率、宽频带的特点，因而在毫米波雷达、毫米波通讯、电子战等方面具有广泛的应用前景，因此在国际上也成为了众多科研单位的研究热点之一，国内回旋行波管的研究实力也在逐渐地加强。
设计回旋行波管首先需要解决其振荡问题，以提高整管稳定性。回旋行波管的振荡由三种因素造成:1)输入段、输出段和高频结构的不匹配导致反射，从而在高频结构注波互作用处形成外部反馈通道造成反射自激振荡。一方面通过优化设计耦合器和输出段可以有效减小反射，另一方面通过在高频结构引入损耗介质从而切断反馈通道，这两种方法相结合可以抑制掉反射所造成的自激振荡。2)电子回旋共振曲线与波导色散曲线交于传播常数的负值区时，此时反向传播的行波与电子注的正向运动形成内部反馈通道从而形成返波振荡。3)由于回旋行波管中电子注工作在弱相对论状态，并且为了得到高增益工作点一般选择在注波作用的切点附近，所对应的工作频率接近截止频率。当电流增大到一定值时，注波互作用的不稳定性区域扩展到传播常数的负值区，会使工作模式发生绝对不稳定性导致的自激振荡。第一种振荡可以通过设计合理的输入输出系统和工作电流或磁场得到避免。对于第二、三种振荡问题，可以采用介质加载电路，提高返波振荡模式的起振长度。
传统的回旋行波管以低阶模作为工作模式，然而例如TE01为工作模式的传统回旋行波管在W波段(95GHz附近)的高频系统半径在2mm左右，结构尺寸过小、功率容量低且容易发生电子截获，此外，由于尺寸较小，也会带来高频系统加工困难。采用高阶模式作为工作模式能有效的解决尺寸在高频段过小的问题。而采用更高阶工作模式会导致回旋行波管非常严重的模式竞争问题，这使得现有的回旋行波管结构，如传统介质加载结构回旋行波管难以稳定工作(特别是在大电流状态下)，因而限制了回旋行波管的高效、宽带、高功率输出。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，该结构具有更大的单位长度衰减量，以此来提高竞争模式的起振长度，增加起振电流，进而抑制竞争模式的振荡；并实现了回旋行波管稳定的高功率、宽带宽和高增益输出，有效增大高频系统的体积，提高了高频系统的功率容量，降低高频系统的加工难度和成本。
本发明采取以下技术方案实现：
一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，其特征在于，应用于85-100GHz频段，工作模式为TE03模，包括同轴且依次连接的输入段、过渡段、预群聚段和输出段；
所述输入段、过渡段、预群聚段、输出段的内部腔体为半径相同的圆柱形腔体；
所述过渡段的圆柱形腔体外侧加载有锥形介质环结构，所述锥形介质环结构的内半径不变，外半径线性增大；
所述预群聚段的圆柱形腔体部分沿角向均匀插入有若干介质插片，且介质插片的长度与预群聚段的长度相同。
进一步地，所述介质插片的数量为8-12。
进一步地，所述锥形介质环结构、介质插片的材料为衰减陶瓷，如AlN-SiC、BeO-SiC、BeO-TiO2等。
进一步地，所述圆柱形腔体的半径为R，所述介质插片伸入到圆柱形腔体部分的深度为0.6R-0.8R。
进一步地，所述输入段、过渡段、预群聚段、输出段的长度分别为16mm、5mm、134mm、22mm。
本发明提出的用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，高阶工作模式TE03可以增大结构尺寸，提升功率容量，是满足输出功率和高增益的基础。输入光滑段、过渡段、预群聚段和输出光滑段的波导内半径相同，且整体互作用结构的色散特性保持一致；其中，输入段实现对回旋电子注的速度调制；过渡段加载锥形介质环减小输入端口的反射；预群聚段加载介质插片有效抑制竞争模式的振荡，实现有效的相位调制，获得较高的增益，最后在输出光滑段内进行强烈的注波互作用，实现电磁波的非线性互作用放大。本发明高频结构在抑制了竞争模式的同时，获得了高输出功率和高增益稳定输出。
本发明的优点：
1)本发明采用以高阶模式TE03模为回旋行波管的工作模式，解决了以低阶模为工作模式介质加载回旋行波管的结构尺寸过小、功率容量低、电子注易被截获等问题，并实现了较高的功率输出。
2)传统的陶瓷环介质加载无法有效地抑制高阶模式带来的多种寄生模式振荡，本发明中通过角向周期分布介质插片的方式，能够破坏如TE11、TE12、TE21等体模的电场分布，灵活地解决了高阶模式带来的多种寄生模式振荡问题。
3)采用四段式结构，在传统三段式结构中加入加载锥形有损陶瓷环的过渡段，减小了输入电磁波的反射。
附图说明
图1为本发明实施例高频介质加载结构的三维结构示意图。
图2为本发明实施例高频介质加载结构的轴向剖面示意图。
图3为本发明实施例高频介质加载结构横向剖面示意图。
图4为本发明实施例高频介质加载结构的TE03模式及竞争模式的无耗色散曲线。
图5为本发明实施例高频介质加载结构在92GHz处当输入功率为1mW时工作模式为TE03的场幅值图。
附图标号说明：1、输入，2、过渡段，3、预群聚段，4、输出段，5、锥形介质环结构，6、介质插片。
具体实施方式
下面结合具体实施例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：
本实施例中用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构的指标要求为：工作模式：TE03模；工作频率：92GHz。
图1—图3分别给出了本实施例高频介质加载结构的三维结构示意图、轴向剖面示意图、横向剖面示意图。包括同轴且依次连接的输入段、过渡段、预群聚段和输出段；其中，输入段、过渡段、预群聚段、输出段的内部腔体为半径为5.4mm的圆柱形腔体，长度分别为D1＝16mm、D2＝5mm、D3＝134mm、D4＝22mm。
所述过渡段的圆柱形腔体外侧加载有锥形介质环结构，所述锥形介质环结构的内半径不变，外半径线性增大。锥形介质环顶部外半径为0.3mm，底部外半径为1.3mm。
所述预群聚段的圆柱形腔体部分沿角向均匀插入有12个介质插片，且介质插片的长度与预群聚段的长度相同，厚度a为1.2mm，与中轴线的间距b为3.5mm。
所述锥形介质环结构、介质插片的材料为BeO-TiO2衰减陶瓷。
图4本实施例高频介质加载结构的TE03模式及竞争模式的无耗色散曲线，从图中可以看出：相较于传统的低阶工作模式，以高阶模式TE03为工作模式可以增大回旋行波管的结构尺寸，提升功率容量，但寄生模式的数量也随之增加。传统的陶瓷环介质加载结构，无法有效地抑制竞争模式的返波振荡问题；本发明通过加载角向均匀分布的介质插片，进而调控各竞争模式在高频系统中单位长度的衰减量，实现竞争模式的抑制。在不增加高频系统结构复杂度的情况下，使系统获得了稳定性。
图5为本实施例高频介质加载结构在92GHz处当输入功率为1mW时工作模式为TE03的场幅值图，其稳定输出功率为115.2kW，增益为80.6dB，效率为14.8％，说明本发明的高频系统能实现稳定的高增益输出。

Claims (6)

1.一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，其特征在于，应用于85-100GHz频段，工作模式为TE03模，包括同轴且依次连接的输入段、过渡段、预群聚段和输出段；
所述输入段、过渡段、预群聚段、输出段的内部腔体为半径相同的圆柱形腔体；
所述过渡段的圆柱形腔体外侧加载有锥形介质环结构，所述锥形介质环结构的内半径不变，外半径线性增大；
所述预群聚段的圆柱形腔体部分沿角向均匀插入有若干介质插片，且介质插片的长度与预群聚段的长度相同。
2.如权利要求1所述的一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，其特征在于，所述介质插片的数量为8-12。
3.如权利要求1或2所述的一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，其特征在于，所述锥形介质环结构、介质插片的材料为衰减陶瓷。
4.如权利要求3所述的一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，其特征在于，所述锥形介质环结构、介质插片的材料为AlN-SiC、BeO-SiC或BeO-TiO2。
5.如权利要求2所述的一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，其特征在于，所述圆柱形腔体的半径为R，所述介质插片伸入到圆柱形腔体部分的深度为0.6R-0.8R。
6.如权利要求5所述的一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，其特征在于，所述输入段、过渡段、预群聚段、输出段的长度分别为16mm、5mm、134mm、22mm。
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