一種回旋行波管的橫向輸出裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種回旋行波管的橫向輸出裝置，屬于大功率毫米波技術(shù)中的毫米波源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能直接輸出高斯波束的回旋行波管橫向輸出裝置。針對目前回旋行波管應(yīng)用需要外接波導(dǎo)模式變換器的缺點，提出了一種新型的回旋行波管的輸出裝置。該輸出裝置包括過渡波導(dǎo)段、90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段和圓波導(dǎo)輻射器。可以在寬頻帶范圍內(nèi)橫向直接輸出高純度的高斯波束，不需要外接模式變換器和彎頭等功能器件，大大降低了大功率毫米波應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度。
【專利說明】
-種回旋行波管的橫向輸出裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于大功率毫米波技術(shù)中的功率源技術(shù)，具體設(shè)及了一種能直接輸出高斯 波束的回旋行波管橫向輸出裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 回旋行波管是一種大功率的寬帶毫米波放大器，具有寬頻帶、高功率、高增益和高 效率等特點，在通訊、雷達、精確制導(dǎo)和材料處理等方面有著廣泛的應(yīng)用市場。為了能降低 器件的工作損耗W及提高注波互作用效率，回旋行波管通常采用圓波導(dǎo)TEo,n模作為工作模 式。較其他模式而言，TEo,1模具有更低的傳輸損耗，是典型的回旋行波管輸出模式。
[0003] 輸出裝置是回旋行波管的關(guān)鍵組成部分，對輸出功率、模式純度W及整管效率有 著巨大的影響。為了實現(xiàn)高功率微波的高效、平穩(wěn)輸出，輸出裝置要盡可能地抑制工作模式 的終端反射。因此，輸出裝置通常采用半徑漸張的圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直接與收集極輸入端相接， 在軸向上實現(xiàn)能量輸出。運種軸向輸出的方式存在兩個方面的不足:一是會導(dǎo)致整管的高 度（即軸向長度)增加，不利于安裝與擺放;另一方面是輸出的波束為工作模式，不利于遠距 離傳輸和直接應(yīng)用。因此，在大功率毫米波系統(tǒng)中，通常需要在回旋管后連接模式變換器， 將回旋管的工作模式轉(zhuǎn)換成適宜遠距離傳輸或直接應(yīng)用的高斯波束。在高功率輸出條件 下，為保證功率容量，模式變換器需采用過模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。運種基于過模波導(dǎo)的模式變換器， 存在工作頻帶有限、易產(chǎn)生寄生模式、變換長度長、插損大、需要冷卻的缺點，不利于回旋行 波管性能的充分發(fā)揮，大大增加了應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度。
[0004] 為了實現(xiàn)注波分離、方便采用降壓收集極提高整管效率；同時在輸出窗口直接實 現(xiàn)高斯波束輸出，一種基于準光模式變換器的橫向輸出裝置被廣泛應(yīng)用于回旋振蕩管中。 運種橫向輸出裝置由帶有切口的福射器和鏡面修正系統(tǒng)組成。雖然運種結(jié)構(gòu)可W在輸出窗 口實現(xiàn)高效率的高斯波束輸出，但是工作頻帶窄（通常為點頻），不能實現(xiàn)寬頻帶回旋管的 輸出。同時在公開號為CN101562268A發(fā)明名稱為《一種用于回旋放大器的多波導(dǎo)輸出裝置》 和公開號為CN102509686A發(fā)明名稱為《回旋行波管多波導(dǎo)輸出裝置》的專利文獻中所公開 的橫向輸出裝置，雖然在不同程度上實現(xiàn)了高功率毫米波回旋管的寬頻帶輸出，但是輸出 的波束仍然為波導(dǎo)模式，依舊存在不方便直接應(yīng)用和傳輸、仍需要使用模式變換器將其轉(zhuǎn) 換為高斯波束的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決大功率回旋行波管存在的輸出模式不利于直接應(yīng)用和空間傳輸?shù)膯栴}， W及目前大功率毫米波傳輸系統(tǒng)難W實現(xiàn)寬頻帶、高效率、緊湊化、小型化等方面的需求問 題，本發(fā)明提出了一種回旋行波管的橫向輸出裝置。
[0006] 本發(fā)明提出的一種回旋行波管的橫向輸出裝置包括波導(dǎo)過渡段、90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎 段、和圓波導(dǎo)福射器。
[0007] 所述波導(dǎo)過渡段將從收集極輸出的波束調(diào)整到合適大小，實現(xiàn)與90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段 的匹配。
[0008] 所述90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段的輸入口與輸出口相互垂直，將縱向輸入波束轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向輸 出，并將注人其中的TEoi模轉(zhuǎn)換成中介模式TMii模。
[0009] 所述波導(dǎo)福射器將中介模式TMii模轉(zhuǎn)換成高斯波束，并通過后接的輸出窗實現(xiàn)對 外輸出。
[0010] 進一步地，所述波導(dǎo)過渡段可W采用直線型、正弦型、切比雪夫型W及非規(guī)則曲線 等常用波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)。
[0011] 進一步地，所述90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段為彎曲的圓波導(dǎo)，波導(dǎo)軸線為圓弧型、指數(shù)型、正 弦型W及其他非規(guī)則曲線等方式。
[0012] 進一步地，所述波導(dǎo)福射器為波紋槽漸變的波紋卿趴結(jié)構(gòu)，且波紋槽的深度從0漸 變到V4，A為波紋槽波導(dǎo)內(nèi)的導(dǎo)波波長。
[0013] 進一步地，所述波導(dǎo)福射器的波紋槽為矩形型或正弦型。
「mwl - ，所述90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段的輸入與輸出口徑一致，口徑2a與波長A滿足： 婦圓周率。
[0015] 進一步地，所述波紋卿趴結(jié)構(gòu)的波紋槽周期P小于V2,且槽深從輸入端由0開始變 化，到達輸出端時變化到V4，波紋槽深度變化過程可采用2次曲線、對稱正弦曲線等。
[0016] 進一步地，所述輸出裝置的材料為銅。
[0017] 本發(fā)明可W達到W下有益效果：
[0018] (1)設(shè)計的輸出裝置能直接輸出高斯波束，而不是TEii?；騎Eoi模，有利于降低輸 出窗的設(shè)計難度，提高回旋管的輸出效率。
[0019] (2)通過對輸出裝置進行設(shè)計，可控制輸出高斯波束的束腰大小及位置，方便與后 續(xù)高功率毫米波鏈路的連接。
[0020] (3)設(shè)計的輸出裝置能直接輸出高斯波束，不需要使用外接過模波導(dǎo)模式變換器， 不僅有利于實現(xiàn)大功率毫米波回旋行波管的寬頻帶、高效率和高功率工作，還有利于大功 率毫米波應(yīng)用系統(tǒng)的緊湊化和小型化。
[0021] (4)設(shè)計的輸出裝置能實現(xiàn)波束的橫向輸出，而不需要外接彎頭或反射鏡面來引 導(dǎo)波束的轉(zhuǎn)向，一方面可W降低傳輸鏈路的功率損耗，提高大功率毫米波傳輸?shù)男?另一 方面可W減小寄生模式的引入，提高輸出模式的純度。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；
[0023] 圖2為輸出裝置的駐波特性；
[0024] 圖3為輸出裝置在頻率為f = 3IG化時的輸出場分布；
[0025] 圖4為輸出裝置在頻率為f = 35G化時的輸出場分布；
[0026] 圖5為輸出裝置在頻率為f = 37G化時的輸出場分布。
[0027] 圖中：1為波導(dǎo)過渡段、2為90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段、3為圓波導(dǎo)福射器。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合實例對本發(fā)明做進一步詳細描述。
[0029] 參見圖1，WKa波段回旋行波管的橫向輸出裝置為例。該輸出裝置材料為銅，屬于 內(nèi)置型部件，整體安裝在回旋管內(nèi)的真空環(huán)境中，由波導(dǎo)過渡段、90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段和圓波導(dǎo) 福射器組成。運=個部分依次連接且內(nèi)腔平滑過渡。
[0030] 其中波導(dǎo)過渡段為波導(dǎo)半徑漸縮的圓波導(dǎo)，入口尺寸為17mm，出口尺寸為 14.78mm;波導(dǎo)過渡段作為饋電輸入結(jié)構(gòu)，與回旋管的收集極相接，實現(xiàn)波束從大口徑圓波 導(dǎo)到小口徑圓波導(dǎo)的高效過渡，達到與90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段匹配的目的。
[0031] 90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段為圓弧形，輸入與輸出口徑均為14.78mm，曲率半徑為200mm，且輸 入口端面與輸出口端面平行;90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段在將縱向輸出的波束轉(zhuǎn)換成橫向輸出的同 時，還將圓波導(dǎo)TEoi模式轉(zhuǎn)換成中介圓波導(dǎo)模式TMii模。
[0032] 圓波導(dǎo)福射器為正弦槽結(jié)構(gòu)的波紋卿趴，槽周期為1.7mm，槽寬為0.85mm，槽深由0 逐漸漸變?yōu)?.1mm，整個波紋卿趴長度為300mm;通過優(yōu)化設(shè)計卿趴的口徑和內(nèi)部波紋槽的 形狀就能調(diào)整福射器的波束寬度、副瓣電平增益。
[0033] 參見圖2,在31GHZ-37GHZ的頻率范圍內(nèi)，Ka波段回旋行波管的橫向輸出裝置的反 射均低于25地。參見圖3-5,在頻率為31-37G化的范圍內(nèi)，Ka波段回旋行波管的橫向輸出裝 置的福射場具有良好的對稱性，表明輸出場分布為高斯波束。
[0034] 作為大功率回旋行波管的重要組成部分，輸出裝置的朝向和輸出的模式是決定大 功率毫米波的應(yīng)用的關(guān)鍵因素。本發(fā)明設(shè)計的回旋行波管輸出裝置不但能實現(xiàn)波束的橫向 輸出，而且還能在寬頻帶內(nèi)直接輸出高斯波束，在實際應(yīng)用中不再需要使用模式變換器、波 導(dǎo)彎頭或反射鏡面等傳輸器件，不僅有利于提高大功率毫米波系統(tǒng)的效率，還有利于大功 率毫米波系統(tǒng)的緊湊化設(shè)計。
【主權(quán)項】
1. 一種回旋行波管的橫向輸出裝置，包括波導(dǎo)過渡段、90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段、和圓波導(dǎo)福射 器，運Ξ個部分依次連接且內(nèi)腔平滑過渡，其特征在于： 所述波導(dǎo)過渡段將從收集極輸出的波束的大小調(diào)整到與90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段匹配； 所述90度波導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段的輸入口與輸出口相互垂直，將縱向輸入波束轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向輸出， 并將注入其中的TEoi模轉(zhuǎn)換成中介模式TMii模； 所述波導(dǎo)福射器將中介模式TMii模轉(zhuǎn)換成高斯波束，并通過后接的輸出窗實現(xiàn)對外輸 出。2. 如權(quán)利要求1所述的一種回旋行波管的橫向輸出裝置，其特征在于:所述波導(dǎo)過渡段 采用直線型、正弦型或切比雪夫型。3. 如權(quán)利要求1所述的一種回旋行波管的橫向輸出裝置，其特征在于:所述90度波導(dǎo)轉(zhuǎn) 彎段為彎曲的圓波導(dǎo)，波導(dǎo)軸線為圓弧型、指數(shù)型或正弦型。4. 如權(quán)利要求1所述的一種回旋行波管的橫向輸出裝置，其特征在于:所述波導(dǎo)福射器 為波紋槽漸變的波紋卿趴結(jié)構(gòu)，且波紋槽的深度從0漸變到λ/4，λ為波紋槽波導(dǎo)內(nèi)的導(dǎo)波波 長。5. 如權(quán)利要求4所述的一種回旋行波管的橫向輸出裝置，其特征在于:所述波導(dǎo)福射器 的波紋槽為矩形型或正弦型。6. 如權(quán)利要求1或3所述的一種回旋行波管的橫向輸出裝置，其特征在于:所述90度波 導(dǎo)轉(zhuǎn)彎段的輸入與輸出口徑一致，口徑化與波長λ滿足:α = 了，η為圓周率。7. 如權(quán)利要求4或5所述的一種回旋行波管的橫向輸出裝置，其特征在于:所述波紋卿 趴結(jié)構(gòu)的波紋槽周期Ρ小于λ/2,波紋槽深度變化過程可采用2次曲線或?qū)ΨQ正弦曲線。8. 如權(quán)利要求所述的一種回旋行波管的橫向輸出裝置，其特征在于:所述輸出裝置的 材料為銅。
【文檔編號】H01J23/36GK105845532SQ201610195024
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】李 浩, 吳澤威, 江翠玲, 蒲友雷, 羅勇
【申請人】電子科技大學(xué)