CN117747382A - 一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，属于放大器领域，该扩展互作用速调管由一个行波输入腔、一个驻波输出腔、和连接上述两腔的电子束通道构成。其中行波模式输入腔由14个长间隙、15个短间隙、上耦合腔、输入波导和负载波导构成；驻波模式输出腔由7个驻波腔间隙、上耦合腔、下耦合腔和输出波导构成。该行驻波放大器可以兼具行波和驻波的工作特性，即在输入腔获得较宽频带，以便在输出腔工作在至少两个驻波模式从而获得高特性阻抗和高输出增益。该发明在紧凑的构型上兼顾了输出带宽水平和输出功率水平。
Description
技术领域
本发明属于放大器技术领域，具体涉及一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管。
背景技术
扩展互作用速调管是传统速调管和耦合腔行波管的结合，采用短路慢波结构的扩展互作用谐振腔实现高频换能，具有高功率、高效率等优点，是微波真空电子器件中脉冲功率和平均功率最高的器件，在高能粒子加速器、宽带雷达系统、远程高速无线通讯、毫米波电子对抗等方面具有重要的应用。
作为一种重要的放大器件，扩展互作用速调管以谐振腔为基础，将多间隙谐振腔作为互作用电路，电子束的调制在谐振腔链路上进行，可以得到高特性阻抗和高单位长度增益。扩展互作用速调管的工作模式通常为驻波模式，这样有利于获得较高的功率，但是会出现带宽较窄的问题，使得工作带宽小于行波管，甚至小于速调管，而工作在行波模式可以较好地解决这个问题，即将工作于行波模式的输入腔、驻波模式的输出腔组合，得到工作于行驻波模式的扩展互作用速调管。
现有发明专利“一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管”，提出长宽边等比的等腰梯形亚波长孔结构，增大了注波互作用面积，提高了注波互作用效率，与传统的梯形结构相比可以得到大功率、高增益和宽带。现有发明专利“同轴相对论速调管扩展互作用输出腔”，与传统的多间隙输出腔相比，该新型结构使得每个提取间隙都与输出通道相互连通耦合，形成的扩展互作用结构显著提高了输出腔的功率容量，同时兼具高效率、易加工等优点。现有发明专利“一种扩展互作用速调管及其制作方法”，设计了输入、输出、N个中间谐振腔(优选N≥3)，相邻两个中间谐振腔的谐振间隙的周期长度不同，而相间的周期长度相同，使得输入、输出、中间谐振腔的面积相同。解决了现有的扩展互作用速调管工作带宽窄、功率密度高(易发生击穿现象)的问题，有效的提升器件的工作带宽。
显然，在这样的背景下，扩展互作用速调管得到较高的输出功率和较宽的工作带宽已经成为了进一步研究的一个重要方向。
本发明提出了一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，可以兼具行波和驻波的工作特性，即在行波输入腔获得较宽频带，以便在驻波输出腔工作在至少两个驻波模式从而获得高特性阻抗和高输出增益，最终使该行驻波模式扩展互作用速调管放大器小型化、宽带宽、高增益，以及多频段工作。
发明内容
本发明的目的在于针对传统纯驻波扩展互作用速调管存在的带宽不足问题，提供一基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管放大器，用以拓展扩展互作用速调管带宽或增加工作频段，同时兼顾宽展互作用速调管的增益属性。本发明创造性的提出可同时工作于行波模式和驻波模式的速调管基本概念，进而通过设计得到工作于行波模式的行波输入腔、驻波输出腔等组合结构，进而得到行驻波模式扩展互作用速调管；与传统的纯驻波模式扩展互作用速调管相比，利用行波模宽带的优势，采用独特的行波模式输入腔，其具有29个长间隙和短间隙交错排列，有效提升了输入腔的输入腔的带宽；同时利用可激励起两个模式的驻波输出腔，利用驻波模高特性阻抗的优势，注波互作用能力得到增强，提高了一定长度下的增益；最终使得本发明的行驻波模式扩展互作用速调管放大器兼顾了一定长度内宽带宽、高增益，以及多频段工作的能力。
本发明提供的技术方案为：
一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，包括：行波输入腔、驻波输出腔、电子束通道、输入波导、负载波导、输出波导和漂移段；
所述电子束通道依次穿设于行波输入腔、漂移段以及驻波输出腔，所述输入波导以及负载波导均耦合设置于行波输入腔上，所述输出波导耦合设置于驻波输出腔上；
其中，漂移段设置为电子束通道中位于行波输入腔与驻波输出腔之间的一段，所述行波输入腔采用长间隙与短间隙交错排列的结构。
进一步地，所述行波输入腔包括长间隙、短间隙以及输入腔上耦合腔；
所述输入腔上耦合腔的一端设置有输入波导，所述输入腔上耦合腔的另一端设置有负载波导，所述长间隙与短间隙交错排列地设置于输入腔上耦合腔的下表面，且任意相邻的长间隙与短间隙之间的间距相同。
进一步地，所述长间隙的数量设置为14，所述短间隙的数量设置为15。
进一步地，所述驻波输出腔包括驻波腔间隙、输出耦合口、输出腔上耦合腔以及输出腔下耦合腔；
多个所述驻波腔间隙等间距设置于输出腔上耦合腔与腔下耦合腔之间，且所述驻波腔间隙垂直于电子束通道，所述输出耦合口设置于输出腔上耦合腔上，且所述输出耦合口与输出波导连接。
进一步地，所述驻波腔间隙的数量设置为7。
进一步地，所述漂移段对应工作频率的波长λ＝c/f，c表示真空光速，f表示速调管的中心工作频率。
进一步地，所述行波输入腔对应的输出腔周期长度p与驻波输出腔对应的输入腔周期长度p2不同，呈比例系数αp＝p2/p，对应慢波结构的相速度比例关系也为αp，αp取值为1.14，相对误差限1％；
其中，输出腔周期长度p满足p＝Nve/f，N为模式系数，ve为电子速度，f表示速调管的中心工作频率。
进一步地，所述长间隙以及短间隙的轴向宽度取值范围为p/3～p/2，轴向用于表征电子束通道方向，纵向用于表征输入输出波导正对的方向，横向用于表征同时垂直于轴向和纵向的方向；其中，p表示行波输入腔(1)对应的输出腔周期长度；
行波输入腔的中心频率f0与f保持一致，相对误差限1％。
进一步地，所述驻波输出腔中的驻波腔间隙对应的轴向宽度取值范围为p/3～p/2。
进一步地，应用于低频波段工作模式或高频波段工作模式；
所述低频波段工作模式对应的频率初始设计值为f1，所述高频波段工作模式对应的频率初始设计值为f2，两频率的相对偏差位于0.5％～1％之间，且f1和f2与行波速调管中心频率构成如下关系：f＝(f1+f2)/2，f1＜f2。
本发明提供的一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，采用行波腔体和驻波腔体混合工作的模式，兼顾了行波模式的宽带性和驻波模式的高增益特性，在有限的长度下有效提升了速调管的工作带宽和特性阻抗等参数，可以在较宽频带实现稳定的功率输出，同时在特定的两个以上的驻波中心频率f1和f2下获得较高增益；就工作参数而言，本发明能够在W波段工作，在～1.32GHz即相对带宽1.4％下获得超过200W的输出功率，同时在两个特定驻波模频率f1和f2下获得超过600W输出功率；与传统的纯驻波模式扩展互作用速调管相比，在一定长度下具有宽带、高增益、乃至多频段工作的优势。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1表示基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管整体示意图。
图2表示行波输入腔示意图。
图3表示驻波输入腔示意图。
图4表示驻波输出腔低频段工作模式电场分布图。
图5表示驻波输出腔高频段工作模式电场分布图
图6表示行驻波模式扩展互作用速调管的低频段工作模式输出信号图。
图7表示行驻波模式扩展互作用速调管的高频段工作模式输出信号图。
图8表示行驻波模式扩展互作用速调管的输出功率随频率的变化曲线。
图9表示行驻波模式扩展互作用速调管的输出增益随频率的变化曲线。
附图标号说明：1-行波输入腔；2:驻波输出腔；3-电子束通道；4-输入波导；5-负载波导；6-输出波导；7-漂移段。
其中行波输入腔主要包括：8-长间隙；9-短间隙；10-输入腔上耦合腔。
其中驻波输出腔主要包括：11-驻波腔间隙；12-输出耦合口；13-输出腔上耦合腔；14-输出腔下耦合腔。
通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1-3所示，本发明实施例提供了一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，包括行波输入腔1、驻波输出腔2、电子束通道3、输入波导4、负载波导5、输出波导6和漂移段7。
其中行波输入腔采用单边梯形结构，主要包括：长间隙8、短间隙9以及输入腔上耦合腔10。
其中驻波输出腔采用梯形结构，主要包括：驻波腔间隙11、输出耦合口12、输出腔上耦合腔13以及输出腔下耦合腔14。轴向方向为z方向，输入输出波导正对方向为y方向，垂直于y-z平面方向为x方向，图1-3均已注明。输入腔的上耦合腔直接通过标准扭波导连接输入标准波导，形成输入端。输出腔的上耦合腔通过耦合口连接标准矩形波导，形成输出端。
需要注意的是，本发明中在图1声明的行驻波模式扩展互作用速调管结构所在区域为真空区域，未进行声明的区域为背景区域，材质为金属导体。图2-3中的示意图为输入腔和输出腔的轮廓线。
在本实施例中，所述行波输入腔和驻波输出腔沿y方向高度相同，中间由漂移管连接依次排列。
具体地，本实施例中，上述行驻波模式扩展互作用速调管的具体尺寸为：输入波导、输出波导和负载波导均为标准BJ-900型矩形波导，截面尺寸为2.54×1.27mmx-z方向。电子束通道直径为0.62mm，其中漂移段为电子束通道的一部分，漂移段长度为3.2mmz方向。行波输入腔长间隙三维尺寸为1.73×2.92×0.22mmx-y-z方向。短间隙三维尺寸为1.73×1.8×0.22mmx-y-z方向。输入腔上耦合腔三维尺寸为1.73×0.5×11.42mmx-y-z方向。驻波腔间隙三维尺寸为1.7×1.6×0.24mmx-y-z方向。输出耦合口三维尺寸为1.24×0.24×0.2mmx-y-z方向。输出腔上耦合腔与输出腔下耦合腔尺寸均为1.91×0.9×4.44mmx-y-z方向。
在本实施例中，所述行波输入腔、驻波输出腔紧密排列，其间隔的漂移段约对应工作频率的1个波长λ＝c/f，即定为3.2mm，频率定为f≈94.3GHz。
在本实施例中，其中输出腔周期长度p满足p＝Nve/f，N为模式系数1，ve为电子速度，最终确定周期长度p＝0.7mm；输出腔周期长度p与输入腔周期长度p2不同，呈比例系数αp＝p2/p，对应慢波结构的相速度比例关系也为αp，αp取值为1.14，对应p2＝0.8mm，相对误差小于1％。
具体地，上面给出的输入腔和输出腔间隙z向长度与周期长度关系均满足三分之周期长度至半周期长度之间的取值。
具体地，针对驻波输出腔工作模式，采用两个可以与该中心频率f0同步的谐振模式，分别为TM11-2π槽模和TM11-2π腔模，如图4和图5所示。两个模式的中心频率分别为f1＝93.88GHz和f2＝94.84GHz；二者相对偏差1.00％满足要求，同时满足f＝94.3≈(f1+f2)/2。
具体地，针对行波输入腔工作模式，采用行波模式的基模TM11模式，利用矩形波导传输公式f＝c/2gx大致确定中心频率范围，联合电磁仿真解析的方法得出其中心频率和带宽，结果为f0＝94.14GHz；f与f0相对偏差小于1％；同时通过调整间隙至长间隙14个短间隙15个时，确定具有带宽W，带宽W应满足条件W＝1.1GHz>f2-f1。
对上述基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管放大器进行仿真测试，当电子束电压为15.5kV，电子束电流为0.5A，用于电子束聚焦的磁场为0.4T，输入信号为0.5W时，得到低频率段工作模式工作在TM11-2π槽模，对应频率为93.88GHz，输出功率894.58W，对应输入信号增益32.52dB，-3dB带宽0.32GHz，如图6、图8、图9所示；得到高频率段工作模式工作在TM11-2π腔模，对应频率为94.84GHz，输出功率676.04W，-3dB带宽0.3GHz，对应输入信号增益31.31dB，如图7、图8、图9所示。并且，由图8、图9所知，本发明速调管在93.70-95.02GHz宽带下均可以工作，且输出功率大于200W。
综上所述，本发明提供了一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，在W波段具有高功率、高增益、宽带宽、多波段的应用前景，可以有效缓解毫米波放大器源对于高环境适应性和高工作指标的严格要求。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求书来限制。
Claims (10)
1.一种基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，包括：行波输入腔(1)、驻波输出腔(2)、电子束通道(3)、输入波导(4)、负载波导(5)、输出波导(6)和漂移段(7)；
所述电子束通道(3)依次穿设于行波输入腔(1)、漂移段(7)以及驻波输出腔(2)，所述输入波导(4)以及负载波导(5)均耦合设置于行波输入腔(1)上，所述输出波导(6)耦合设置于驻波输出腔(2)上；
其中，漂移段(7)设置为电子束通道(3)中位于行波输入腔(1)与驻波输出腔(2)之间的一段，所述行波输入腔(1)采用长间隙与短间隙交错排列的结构。
2.根据权利要求1所述的基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，所述行波输入腔(1)包括长间隙(8)、短间隙(9)以及输入腔上耦合腔(10)；
所述输入腔上耦合腔(10)的一端设置有输入波导(4)，所述输入腔上耦合腔(10)的另一端设置有负载波导(5)，所述长间隙(8)与短间隙(9)交错排列地设置于输入腔上耦合腔(10)的下表面，且任意相邻的长间隙(8)与短间隙(9)之间的间距相同。
3.根据权利要求2所述的基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，所述长间隙(8)的数量设置为14，所述短间隙(9)的数量设置为15。
4.根据权利要求1所述的基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，所述驻波输出腔(2)包括驻波腔间隙(11)、输出耦合口(12)、输出腔上耦合腔(13)以及输出腔下耦合腔(14)；
多个所述驻波腔间隙(11)等间距设置于输出腔上耦合腔(13)与腔下耦合腔(14)之间，且所述驻波腔间隙(11)垂直于电子束通道(3)，所述输出耦合口(12)设置于输出腔上耦合腔(13)上，且所述输出耦合口(12)与输出波导(6)连接。
5.根据权利要求4所述的基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，所述驻波腔间隙(11)的数量设置为7。
6.根据权利要求1所述的基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，所述漂移段(7)对应工作频率的波长λ＝c/f，c表示真空光速，f表示速调管的中心工作频率。
7.根据权利要求1所述的基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，所述行波输入腔(1)对应的输出腔周期长度p与驻波输出腔(2)对应的输入腔周期长度p2不同，呈比例系数αp＝p2/p，对应慢波结构的相速度比例关系也为αp，αp取值为1.14，相对误差限1％；
其中，输出腔周期长度p满足p＝Nve/f，N为模式系数，ve为电子速度，f表示速调管的中心工作频率。
8.根据权利要求2所述的基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，所述长间隙(8)以及短间隙(9)的轴向宽度取值范围为p/3～p/2，轴向用于表征电子束通道方向，纵向用于表征输入输出波导正对的方向，横向用于表征同时垂直于轴向和纵向的方向；其中，p表示行波输入腔(1)对应的输出腔周期长度；
行波输入腔(1)的中心频率f0与f保持一致，相对误差限1％。
9.根据权利要求7所述的基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，所述驻波输出腔(2)中的驻波腔间隙(11)对应的轴向宽度取值范围为p/3～p/2。
10.根据权利要求6所述的基于行驻波模式工作的扩展互作用速调管，其特征在于，应用于低频波段工作模式或高频波段工作模式；
所述低频波段工作模式对应的频率初始设计值为f1，所述高频波段工作模式对应的频率初始设计值为f2，两频率的相对偏差位于0.5％～1％之间，且f1和f2与行波速调管中心频率构成如下关系：f＝(f1+f2)/2，f1＜f2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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