一種提高耦合腔行波管增益平坦度的方法
2023-07-21 21:26:01
專利名稱：一種提高耦合腔行波管增益平坦度的方法
技術領域：
本發明涉及微波真空電子領域，具體涉及一種提高耦合腔行波管增益平坦度的方 法。
背景技術：
行波管根據其慢波結構可分為螺旋線行波管、耦合腔行波管等。螺旋線慢波系統 的色散很小，具有很寬的工作帶寬，但螺旋形慢波系統散熱性能較差，因此一般用於寬頻帶 的中小功率的行波管中。耦合腔慢波系統具有很強的色散，因此其工作帶寬相對於螺旋線 慢波系統來說很窄，但耦合腔慢波系統的散熱性能很好，能承受相當大的工作功率，耦合腔 慢波系統一般用於大功率的行波管中。耦合腔行波管主要由電子槍、耦合腔慢波系統、收集極、微波輸入系統、微波輸出 系統組成。其中電子槍是發射出具有一定速度的電子注進入耦合腔慢波系統；耦合腔慢波 系統的作用是提供微波與電子注的相互作用；收集極是接受在耦合腔中與微波相互作用後 的電子注；微波輸入系統的作用是向耦合腔慢波系統饋入微波信號；微波輸出系統的作用 是從耦合腔慢波系統中獲得微波與電子注作用後的放大的微波信號。傳統的耦合腔行波管，在整個耦合腔慢波系統段內，為了使微波信號與電子注能 夠持續相互作用，微波輸入系統傳輸的微波的相速都低於電子注的運動速度。由於耦合 腔慢波系統具有很強的色散，在工作頻帶內的各頻率點上微波與電子注的耦合阻抗均不相 同，微波與電子注的不同步的參量也不相同。這就導致在每一個耦合腔內，對於工作頻帶內 不同的頻率點，所獲得的增益不同。由於耦合腔慢波系統內每個耦合腔所獲得的增益不同，利用傳統的耦合腔慢波系 統結構設計製作的耦合腔行波管具有一個很大的缺點，就是整個行波管的增益起伏很大。 增益起伏過大，行波管的應用會受到很大的限制。
發明內容
本發明的目的是提供一種提高耦合腔行波管增益平坦度的方法，解決耦合腔行波 管增益起伏過大的問題。為實現上述目的，對本發明所採取的技術方案總體構思為所述的這種提高耦合腔行波管增益平坦度的方法是在傳統的耦合腔行波管的慢 波系統上增加一段增益均衡段。增益均衡段實際上就是一段耦合腔鏈，耦合腔鏈有多個耦 合腔組成。在行波管耦合腔慢波系統中，當輸入微波的相速略大於電子注的運動速度時，相 互作用的結果是部分微波能量轉換為電子注的動能，使得電子注的運動速度提高而微波能 量減弱，微波信號得到負的增益。增益均衡段的增加正是基於此相互作用結果。增益均衡段就是在耦合腔行波管的慢波系統的合適位置加上一耦合腔鏈。該耦合 腔鏈的微波相速設計的比電子注的傳輸速度要高一些。其結果是，當電子注穿過該耦合腔鏈時，微波信號會獲得負的增益。由於耦合腔鏈的工作頻帶內的各頻率點上微波與電子注 的耦合阻抗均不相同，微波與電子注的非同步參量也不相同，微波信號得到的負的增益呈 起伏狀態。在傳統的耦合腔行波管中，整個耦合腔慢波系統段內，為了使微波信號與電子注 能夠持續相互作用，微波輸入系統傳輸的微波的相速都低於電子注的運動速度。當電子注 的運動速度略大於微波的相速時，電子注的動能部分轉化為微波能量，從而電子注速度減 小，微波能量得到放大，微波信號得到正的增益，由於耦合腔微波系統的工作頻帶內的各頻 率點上微波與電子注的耦合阻抗均不相同，微波與電子注的非同步參量也不相同，微波信 號得到的正的增益呈起伏狀態。在傳統耦合腔行波管中加入耦合腔鏈後，耦合腔鏈中微波與電子注的相互作用獲 得的微波信號的負的增益與傳統耦合腔行波管中微波信號的正的增益疊加後，最終可獲得 一個穩定的微波信號增益。當加入了耦合腔鏈後，行波管的增益平坦度會得到較大的改善，但總的增益會有 一定程度的下降，為了克服這一問題，需要在管子耦合腔鏈後面的各段中增加耦合腔體。耦合腔鏈中微波信號的相速按以下步驟確定；第一步計算出未增加耦合腔鏈 時，行波管耦合腔慢波系統內最大增益起伏值a ；第二步計算行波管耦合腔慢波系統內平 均每個腔體增益的差別b，b = a/N，其中N為行波管耦合腔慢波系統中腔體數量的總和；第 三步計算耦合腔行波管增益起伏最大值為a時，微波相速與電子注速度的比值c，此時微 波相速為VP1，電子注速度是Ve，c( = VplAO ；第四步確定增加的耦合腔鏈內的微波相速 Vp2, Vp2高於耦合腔鏈內的電子注的速度ve，Vp2 = vyc。在增加的耦合腔鏈的後端增加的耦合腔體的個數N1 的計算公式為=N1 = (aN/ G)，其中G為耦合腔行波管的增益。為了在儘量短的耦合腔鏈中獲得與a大致相等的負增益，需要將耦合腔鏈的色散 特性加強，實際上就是需要將耦合腔鏈的冷帶寬設計的窄一些。一般來說把耦合腔鏈的冷 帶寬設計得與行波管耦合腔慢波系統其它各段冷帶寬的一半左右，就可以滿足設計要求。傳統的耦合腔行波管，一般包含驅動段和輸出段，在兩段之間用吸收器隔開。吸收 器的作用是吸收反向傳輸的功率，從而消除返波振蕩使管子能夠穩定工作。一般當管子的 增益在30dB以下時，驅動段僅僅包含輸入段；當管子的增益在30dB及以上時，驅動段又分 為兩段，即輸入段和中間段，輸入段和中間段之間也用一個吸收器隔開，吸收器的作用也是 消除返波振蕩。輸出段一般包含三部分即初始相速段，第一相速跳變段，第二相速跳變段。 其中初始相速段是指微波在這一段慢波系統中的相速與在驅動段中的相速相同的慢波段。 由於在輸出段裡，電子注與微波信號已經進行了一定程度的互作用，電子注的速度因為互 作用的結果而部分轉化成為了微波能量，因此電子注的速度在逐漸減小，與微波相速的同 步性也在逐漸的變差。為了使得電子注速度與微波相速的同步性進一步維持，需要對微波 的相速進行調整，即將微波的相速減小到與電子注速度再同步，這也稱為「相速跳變」。一般 為了使慢波系統與微波輸出系統匹配時獲得良好的電壓駐波比，僅使用兩次相速調變，即 第一相速調變段，第二相速跳變段。當管子的增益為30dB以下時，驅動段僅僅包含輸入段，帶有增益均衡段的耦合腔 慢波系統應按如下方案設計
第一種方案在上述的傳統的耦合腔行波管中，在耦合腔慢波系統的驅動段加入 耦合腔鏈；耦合腔鏈位於驅動段的輸入段與輸出段的初始相速段之間，在耦合腔鏈與初始 相速斷之間加入吸收器。第二種方案在上述的傳統的耦合腔行波管中，在耦合腔慢波系統的驅動段加入 耦合腔鏈；耦合腔鏈位於驅動段的輸入段與輸出段的初始相速段之間；在輸入段與耦合腔 鏈之間加入吸收器，在耦合腔鏈與初始相速段之間加入吸收器。上述兩個方案中，第一種方案更適合應用於小功率行波管的設計，因為其省去了 一個吸收器，行波管的長度會有一定程度的減小。當管子的增益為30dB以上時，帶有耦合腔鏈的慢波系統應按如下方案設計第一種方案在上述的傳統的耦合腔行波管中，在耦合腔慢波系統的驅動段加入 耦合腔鏈；耦合腔鏈位於驅動段的中間段與輸出段的初始相速段之間；在耦合腔鏈與初始 相速段之間加入吸收器。第二種方案在上述的傳統的耦合腔行波管中，在耦合腔慢波系統的輸出段加入 耦合腔鏈；耦合腔鏈位於驅動段的中間段與輸出段的初始相速段之間；在耦合腔鏈與中間 段之間加入吸收器。所述的這種提高耦合腔行波管增益平坦度的方法，在傳統耦合腔行波管慢波結構 的適當位置增加一個耦合腔鏈。在耦合腔鏈內，選擇比慢波系統其它各段更強的色散，並且 使得微波信號的相速比電子注的運動速度小，微波信號獲得負的增益。在慢波系統的其它 段內，微波信號獲得正的增益。正的增益與負的增益疊加，就使得整個慢波系統的平坦度獲 得提高，克服了耦合腔行波管增益起伏大的缺點。
下面對本說明書附圖所表達的內容作簡要說明圖1為耦合腔行波管結構示意圖；圖2為增益在30dB以下傳統耦合腔慢波系統功能段示意圖；圖3為增益在30dB以上傳統耦合腔慢波系統功能段示意圖；圖4為傳統耦合腔慢波系統內微波信號的頻率增益圖；圖5為在耦合腔鏈內微波信號的頻率增益圖；圖6加入耦合腔鏈後耦合腔行波管慢波系統內微波信號的頻率增益圖；圖7為加入耦合腔鏈後增益為30dB以下耦合腔行波管慢波結構示意圖1 ；圖8為加入耦合腔鏈後增益為30dB以下耦合腔行波管慢波結構示意圖2 ；圖9為加入耦合腔鏈後增益為30dB以上耦合腔行波管慢波結構示意圖1 ；圖10為加入耦合腔鏈後增益為30dB以上耦合腔行波管慢波結構示意2 ；
具體實施例方式下面對照附圖，通過對實施例的描述，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細的 說明，以幫助本領域的技術人員對發明的構思、技術方案有更完整、準確和深入的理解。如圖1所示的耦合腔行波管由電子槍、耦合腔慢波系統、收集極、微波輸入系統、 微波輸出系統組成。
圖2為增益在30dB以下耦合腔行波管慢波系統的功能示意圖。耦合腔慢波系統， 包含驅動段和輸出段，在兩段之間用吸收器隔開。驅動段中只有輸入段。輸出段包含三部 分即初始相速段，第一相速跳變段，第二相速跳變段。圖3為增益在30dB以上耦合腔行波管慢波系統的功能示意圖。耦合腔慢波系統， 包含驅動段和輸出段，在兩段之間用吸收器隔開。驅動段包含輸入段和中間段，兩者之間用 吸收器隔開。輸出段包含三部分即初始相速段，第一相速跳變段，第二相速跳變段。圖4為傳統耦合腔行波管慢波系統中微波信號的正增益示意圖，微波信號在傳統 耦合腔慢波系統中的正增益先逐漸上升，上升到最大值後，再逐漸下降，微波信號在傳統耦 合腔慢波系統中的增益起伏很大。圖5為增益均衡段內微波信號的負增益示意圖，增益均衡段內微波信號的增益呈 逐漸上升，上升到最大負增益值後，再呈逐漸下降的趨勢。圖6為在傳統耦合腔行波管中增加耦合腔鏈後微波信號的增益圖。加入耦合腔鏈 後，耦合腔鏈產生的負的增益與傳統耦合腔行波管的正的增益進行疊加。耦合腔行波管的 增益起伏大的狀況可得到改善。圖7和圖8為增益在30dB以下耦合腔行波管加入耦合腔鏈的示意圖。如圖7所示，增益在30dB以下耦合腔行波管加入耦合腔鏈的位置為慢波系統的驅 動段；耦合腔鏈位於驅動段的輸入段與輸出段的初始相速段之間，在耦合腔鏈與初始相速 斷之間加入吸收器。圖8作為可供選擇的另一種方案，在耦合腔慢波系統的驅動段加入耦合腔鏈；耦 合腔鏈位於驅動段的輸入段與輸出段的初始相速段之間；在輸入段與耦合腔鏈之間加入吸 收器，在耦合腔鏈與初始相速段之間加入吸收器。圖9和圖10為增益在30dB以上耦合腔行波管加入耦合腔鏈的示意圖。圖9所示，增益在30dB以上耦合腔行波管加入耦合腔鏈段位置為慢波系統的驅動 段；耦合腔鏈位於驅動段的中間段與輸出段的初始相速段之間；在耦合腔鏈與初始相速段 之間加入吸收器。圖10為增益在30dB以上耦合腔行波管加入耦合腔鏈的另一種方案，在耦合腔慢 波系統的輸出段加入耦合腔鏈；耦合腔鏈位於驅動段的中間段與輸出段的初始相速段之 間；在耦合腔鏈與中間段之間加入吸收器。
權利要求
一種提高耦合腔行波管增益平坦度的方法，其特徵在於在耦合腔行波管慢波系統中增加耦合腔鏈；耦合腔鏈的色散大於耦合腔行波管慢波系統其它各段耦合腔；耦合腔鏈中的微波信號的相速比電子注的運動速度小。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於耦合腔鏈中微波信號的相速按以下步驟 確定；第一步驟計算出未增加耦合腔鏈時，行波管耦合腔慢波系統內最大增益起伏值a ；第二步驟計算行波管耦合腔慢波系統內平均每個腔體增益的差別b，b = a/N，其中N 為行波管耦合腔慢波系統中腔體數量的總和；第三步驟計算耦合腔行波管增益起伏最大值為a時，微波相速與電子注速度的比值 c，此時微波相速為VP1，電子注速度是Ve，c( = Vpl/Ve)；第四步驟確定增加的耦合腔鏈內的微波相速Vp2，Vp2高於耦合腔鏈內的電子注的速度 Ve，Vp2 = NJc0
3.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於增加的耦合腔鏈的冷帶寬為耦合腔行波 管慢波系統其它段耦合腔冷帶寬的一半，增加的耦合腔鏈的微波信號所獲得的負增益與a 大致相等。
4.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於在耦合腔行波管慢波系統中，在增加的耦 合腔鏈的後端增加耦合腔，增加的耦合腔體的個數N1 的計算公式為=N1 = (aN/G)，其中 G為耦合腔行波管的增益。
5.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的耦合腔鏈有多個耦合腔組成。
6.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的耦合腔鏈位於耦合腔行波管慢波 系統的驅動段的輸入段與輸出段的初始相速段之間，在耦合腔鏈與初始相速斷之間加入吸 收器。
7.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的耦合腔鏈位於耦合腔行波管慢波 系統的驅動段的輸入段與輸出段的初始相速段之間；在輸入段與耦合腔鏈之間加入吸收 器，在耦合腔鏈與初始相速段之間加入吸收器。
8.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的耦合腔鏈位於耦合腔行波管慢波 系統的驅動段的中間段與輸出段的初始相速段之間；在耦合腔鏈與初始相速段之間加入吸 收器。
9.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的耦合腔鏈位於耦合器行波管慢波 系統的驅動段的中間段與輸出段的初始相速段之間；在耦合腔鏈與中間段之間加入吸收
全文摘要
本發明公開了一種提高耦合腔行波管增益平坦度的方法，其在傳統耦合腔行波管慢波結構的適當位置增加一個耦合腔鏈。該耦合腔鏈的色散大於耦合腔行波管慢波系統其它各段，並且耦合腔鏈中的微波信號的相速比電子注的運動速度小，微波信號在耦合腔鏈中獲得負的增益。在耦合腔行波管慢波系統的其它段內，微波信號獲得正的增益。上述正的增益與負的增益疊加，就使得整個慢波系統的平坦度獲得提高，該方法適用可行，具有很強的實用價值。
文檔編號H01J23/24GK101982867SQ20101027605
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月6日 優先權日2010年9月6日
發明者吳華夏, 張麗, 方衛, 江祝苗, 沈旭東 申請人:安徽華東光電技術研究所