CN116190957A - 一种基于混合模宽带工作的介质加载曲线渐变输出结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合模宽带工作的介质加载曲线渐变输出结构，属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域。该渐变输出结构的工作模式为TE01/TE02混合模式，其输入端连接回旋行波管高频结构的非线性段，输出端连接收集极；渐变输出结构包括输出段外壳、贴合输出段外壳内壁加载的第二环形无损介质层，第二环形无损介质层内半径线性增大，外半径沿轴向的变化分为两段。本发明通过加载两段曲线函数不同的环形无损介质层，使渐变输出结构的色散特性发生变化，让电子注与微波在工作频段内的高频率点重新满足谐振条件，形成了TE01/TE02混合模宽带工作的机制，使电子注继续在输出渐变结构失去能量，放大微波信号，从而改善回旋行波管的工作性能，扩展工作带宽。
Description
技术领域
本发明属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域，具体涉及一种基于混合模宽带工作的介质加载曲线渐变输出结构，可以应用在毫米波、太赫兹波段的回旋放大器件。
背景技术
随着现代高性能雷达、通信技术、毫米波对抗技术、成像技术等方面的快速发展，各个方面的系统对大功率的信号源工作频段、输出功率、工作带宽等性能指标要求日益的提升。回旋行波管因其在微波、毫米波乃至太赫兹频段内，有产生宽频带、大功率、高效率的电磁波输出的能力，满足了不同系统大功率信号源的要求。
现目前，通过大量理论分析与实验验证，介质加载结构被广泛的采用于回旋行波管高频系统。它由光滑波导与加载介质层组成，其中介质层采用涂敷等方式加载到光滑波导结构的表面。介质加载结构克服了光滑波导结构易发生模式振荡的缺陷，提高了输出功率，扩展了带宽。介质对不同振荡模式的损耗特性不同，这种特性能有效地抑制模式振荡，即该结构具有模式选择的特性，有效地解决了光滑波导结构带来的模式振荡问题。
介质加载回旋行波管高频结构一般为三个部分：渐变输入段、非线性段、渐变输出段。较低功率的微波信号通过渐变输入段，进入互作用段与回旋电子注发生高频互作用，电子注自身失去能量，微波信号得到放大，最终通过渐变输出段进入收集极。作为高频结构的重要部分，回旋行波管的渐变输出段对回旋行波管的输出功率，带宽等方面有着至关重要的影响。其主要作用是实现波导半径的渐变过程，减少工作模式到其他模式的耦合，确保输出信号的纯净。电子科技大学的研究人员在“Design and Experimental Study of aHigh-Gain W-Band Gyro-TWT With Nonuniform Periodic Dielectric LoadedWaveguide”一文中，对渐变输出段进行了理论与实验研究，该渐变输出段中的渐变曲线采用多级的切比雪夫结构，实验表明，该渐变输出段在W波段的峰值功率为112kW，饱和输出增益为69.7dB，其3dB相对带宽为4.2％，但是其输出带宽不理想，不能达到新系统对宽频带的需求。
发明内容
本发明针对回旋行波管器件的宽带不理想的问题，从高频系统的渐变输出段结构出发，提出了一种基于混合模式宽带工作的介质加载的曲线渐变输出结构。与常规高频系统的渐变输出结构不同，本发明基于场匹配的理论，将渐变输出段分为两部分，加载了曲线函数不同的环形无损介质层，通过改变渐变输出段的色散特性，使得整体结构形成了TE01/TE02混合模宽带工作的机制，有效改善了回旋行波管工作频带范围内高频率点输出功率低的问题，增加了工作范围内高频点的输出功率，扩展了整体的工作带宽。
本发明采取以下的技术方案实现：
一种基于混合模宽带工作的介质加载曲线渐变输出结构，该渐变输出结构的输入端连接回旋行波管高频结构的非线性段，输出端连接收集极；
所述非线性段，包括圆波导外壳、贴合圆波导外壳内壁加载的第一环形无损介质层；
所述渐变输出结构，包括输出段外壳、贴合输出段外壳内壁加载的第二环形无损介质层；
其特征在于：所述渐变输出结构的工作模式为TE01/TE02混合模式；
所述第一环形无损介质层，沿轴向的厚度一致。
所述第二环形无损介质层，其内半径线性增大，外半径沿轴向的变化分为两段，第一段为：rb1＝1.041*exp(-((z-11.17)/7.526)^2)+r0，长度为10±1mm；第二段为：rb2＝0.027*z^1.271+0.597+rb1'，长度为30±2mm；其中z表示沿轴向的坐标，r0表示第一环形无损介质层的外半径，rb1'表示第二环形无损介质层第一段末端的外半径。
进一步地，所述第二环形无损介质层的内半径线性增大的斜率为0.114。
进一步地，无损介质层的材料为损耗介电常数6.8(1-0.0001j)的陶瓷。
电子注在回旋行波管渐变输出结构之前可以实现有效地相位调制，获得线性增益，但随着频率的增加，电子注与微波逐渐失谐。在本发明中，电子注进入渐变输出结构后，通过加载两段曲线函数不同的环形无损介质层，使渐变输出结构的色散特性发生变化，可以让电子注与微波在工作频段内的高频率点重新满足谐振条件，形成了TE01/TE02混合模宽带工作的机制，使电子注继续在输出渐变结构失去能量，放大微波信号，从而改善回旋行波管的工作性能，扩展工作带宽。
附图说明
附图1是本发明实施例的三维结构图。
附图2是本发明实施例的轮廓曲线图。
附图3是本发明实施例的的场分布图。
附图4是本发明实施例的S曲线分析图。
附图5是本发明实施例的非线性渐变结构的饱和输出功率，饱和输出增益与频率的关系图。
附图标记说明：1.非线性段；11.圆波导外壳；12.第一环形无损介质层；2.渐变输出结构；21.输出段外壳；22.第二环形无损介质层。
具体实施方式
以下结合Ka波段的TE01\TE02混合模介质加载高频结构系统设计实例以及附图对本发明进行进一步详细阐述：
如图1所示，本实施例的基于混合模宽带工作的介质加载曲线渐变输出结构，其输入端连接回旋行波管高频结构的非线性段，输出端连接收集极。
所述非线性段，包括圆波导外壳、贴合圆波导外壳内壁加载的第一环形无损介质层；所述第一环形无损介质层沿轴向的厚度一致。
所述渐变输出结构，包括输出段外壳、贴合输出段外壳内壁加载的第二环形无损介质层。介质层的材料为损耗介电常数6.8(1-0.0001j)的陶瓷。
图2所示为本实施例曲线渐变输出结构的轮廓曲线图。其中，所述第二环形无损介质层，其内半径线性增大，从5.8mm增大到12.3mm，扩宽输出波导的半径以便与收集极部件进行连接；外半径沿轴向的变化分为两段，第一段为：rb1＝1.041*exp(-((z-11.17)/7.526)^2)+r0，长度为10±1mm；第二段为：rb2＝0.027*z^1.271+0.597+rb1'，长度为30±2mm，其中z表示沿轴向的坐标；采用两段外半径变化规律不同的介质层能够使其与磁场曲线进行更好的匹配。
回旋行波管中电磁波与电子注的谐振条件为：Δ＝ω-kzvz-sΩc，其中，ω＝2πf为辐射场的角频率，f为回旋行波管的中心工作频率，kzvz表示多普勒频移，s为回旋行波管的谐波次数，Ωc＝eB/m表示电子回旋频率。可见，电子注与微波的谐振主要和磁场强度与环形无损介质层纵向波数有关。在回旋行波管的渐变输出结构之前，介质层的纵向波数与磁场曲线处于相对的恒定值中，电子注与微波满足谐振条件，此时Δ的值约等于0。而到渐变输出结构后，磁场的变化就会导致介质层的半径并不满足相互匹配的条件。而对于介质层，高频率点、全加载无损介质等都会引起其互作用强度有较大的影响。不同于传统的线性渐变输出结构，本发明通过加载两段曲线函数不同的环形无损介质层，让电子注与微波在渐变输出结构内，继续能够进行有效的互作用。
附图3为本实施例的渐变输出结构的场分布图。由图可以看到，在输入端口为TE01模式，而随着介质层的出现，部分电场能量进入介质中，而形成了TE02模式。此时该渐变输出段中存在TE01和TE02的混合模式。
附图4为本实施例的渐变输出结构的传输系数变化曲线，可以看到，在33.45GHz的两侧，TE01模式与TE02模式各自占据主要的输出模式成分。由于这种混合模的特性，使得整体的波导结构的色散特性发生改变，从而增加了工作的带宽。
附图5为本实施例的的输出特性曲线。通过理论计算和CST建模分析，可以看出在整个工作频带内3d B带宽大于6GHz，同时在28.3GHz至33GHz之间输出功率均大于70kW，并在29GHz处取得峰值功率为101.2kW。CST仿真分析结构的饱和增益曲线也符合理论分析结论，随着频率的增加，增益会逐渐降低。值得注意的是，在高频率点33.2GHz也出现了峰值点，说明本发明在一定程度上增加了高频率点的互作用的长度，提升了输出的功率。
Claims (3)
1.一种基于混合模宽带工作的介质加载曲线渐变输出结构，该渐变输出结构的输入端连接回旋行波管高频结构的非线性段，输出端连接收集极；
所述非线性段，包括圆波导外壳、贴合圆波导外壳内壁加载的第一环形无损介质层；
所述渐变输出结构，包括输出段外壳、贴合输出段外壳内壁加载的第二环形无损介质层；
其特征在于：所述渐变输出结构的工作模式为TE01/TE02混合模式；
所述第一环形无损介质层，沿轴向的厚度一致；
所述第二环形无损介质层，其内半径线性增大，外半径沿轴向的变化分为两段，第一段为：rb1＝1.041*exp(-((z-11.17)/7.526)^2)+r0，长度为10±1mm；第二段为：rb2＝0.027*z^1.271+0.597+rb1'，长度为30±2mm；其中z表示沿轴向的坐标，r0表示第一环形无损介质层的外半径，rb1'表示第二环形无损介质层第一段末端的外半径。
2.如权利要求1所述的一种基于混合模宽带工作的介质加载曲线渐变输出结构，其特征在于：所述第二环形无损介质层的内半径线性增大的斜率为0.114。
3.如权利要求2所述的一种基于混合模宽带工作的介质加载曲线渐变输出结构，其特征在于：无损介质层的材料为损耗介电常数6.8(1-0.0001j)的陶瓷。
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