新型帶狀電子束行波管輸出結構的製作方法

2024-01-19 22:39:15 1

新型帶狀電子束行波管輸出結構的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種新型帶狀電子束行波管輸出結構，該輸出結構包括雙矩形波導耦合結構、圓弧形彎波導、單斜劈介質匹配負載、直線型漸變段，其中雙矩形波導耦合結構包括上、下波導；上波導為電磁波通道，電磁波通道兩端分別為電磁波輸出埠、匹配負載埠；下波導為電子注通道，電子注通道兩端分別為電子注輸出埠、輸入埠；所述波通道與電子注通道之間設置矩形耦合縫，所述圓弧形彎波導連接於電磁波輸出埠，所述單斜劈介質匹配負載設置於匹配負載埠，所述直線型漸變段連接於電子注輸出埠。該新型結構能夠有效地實現注波分離、提供較寬的電子注通道、隔離高頻互作用區和收集極區並且在較寬頻帶上擁有較好的傳輸係數。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬於微波真空器件領域，涉及用於大功率微波真空器件的輸出結構，具體 為一種新型帶狀電子束行波管的超寬頻帶輸出結構。 新型帶狀電子束行波管輸出結構

【背景技術】
[0002] 帶狀束微波真空器件是通過電子在真空中的運動將帶狀電子束所攜帶的電子動 能轉換成微波能量的器件。電子槍產生帶狀束電子注，電子注在陽極與陰極之間的電壓和 外加磁場的約束下向高頻結構運動。電子注在高頻結構中與高頻場相互作用，將電子的能 量轉化成高頻能量。為了實現注波互作用過程，需要通過輸入結構將高頻輸入信號能量耦 合到慢波線上，進而與電子注互作用進而被放大，而被放大的高頻信號能量則通過輸出結 構耦合到輸出迴路上去。合理的輸出結構對提高器件整體的性能，增加器件的穩定性以及 擴展器件的工作頻帶起著重要的作用。
[0003] 常見的帶狀電子束行波管輸出結構主要採用脊波導結合彎頭的方式，電子注沿脊 波導的縱向輸入輸出，高頻能量從脊波導上的彎頭耦合腔輸入輸出。然而，由於脊波導的尺 寸通常是固定的，電子注在傳輸過程中不可避免的會發散以致打在波導壁上，破壞輸出結 構，影響管子的性能與壽命；並且為了增大電子的流通率，脊波導的尺寸不能過小，這就導 致部分電磁波會進入收集極區，會對器件的性能以及穩定性造成影響；同時，彎波導雖然可 以引導電磁波實現與電子注的分離，但由於它是與脊波導連通的，仍會有一定數目的電子 因具有與彎波導方向相同的分速度而伴隨電磁波進入其中，從而轟擊窗片，造成窗片損耗； 另外，由於脊波導連接結構的工作帶寬十分有限，導致整管的工作帶寬也受到一定的限制， 一般只有30 %的相對帶寬。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的在於針對上述問題提供一種極寬頻帶、高電子通過率並且便於加工 的新型帶狀電子束行波管輸出結構，該新型結構能夠有效地實現注波分離、提供較寬的電 子注通道、隔離高頻互作用區和收集極區並且在較寬頻帶上擁有較好的傳輸係數。
[0005] 本發明的技術方案為：新型帶狀電子束行波管的輸出結構，其特徵在於，包括雙矩 形波導耦合結構、圓弧形彎波導、單斜劈介質匹配負載、直線型漸變段，其中雙矩形波導耦 合結構包括上、下波導；上波導為電磁波通道，電磁波通道兩端分別為電磁波輸出埠、匹 配負載埠；下波導為電子注通道，電子注通道兩端分別為電子注輸出埠、輸入埠；所 述波通道與電子注通道之間設置矩形耦合縫，所述圓弧形彎波導連接於電磁波輸出埠， 所述單斜劈介質匹配負載設置於匹配負載埠，所述直線型漸變段連接於電子注輸出端 □。
[0006] 進一步的，所述矩形耦合縫用於實現注波分離，其要求工作頻帶內電磁波的S參 數如下：輸入埠的反射係數小於 _20dB ;輸入埠與電子注輸出埠隔離度小於-20dB ; 電磁波與電子注輸入埠與匹配負載埠的隔離度小於-20dB ;輸入埠到電磁波輸出端 口之間的插入損耗不超過0. 2dB。
[0007] 所述圓弧形彎波導用於引導電磁波傳輸，實現能量的橫向輸出。
[0008] 所述直線型漸變段為漸變矩形波導，用於避免電子注因發散而擊打波導壁，提高 了電子注的流通率。
[0009] 所述單斜劈介質匹配負載用於吸收電磁波，避免電磁波在端面的反射。
[0010] 本發明採用雙矩形波導耦合結構，通過多個矩形縫隙連接上、下波導，使高頻電磁 波在不幹擾電子注傳輸的情況下從電子注通道（下波導）耦合到電磁波通道中（上波導）。 通過調節縫寬、縫長獲得較好的電磁波耦合量；通過調節縫隙數目、縫間距增加耦合出電磁 波的方向性、拓展電磁波的帶寬，且使結構更加緊湊。
[0011] 在工作中，電磁波通過雙矩形波導耦合結構在上波導中同時耦合出向兩端傳輸的 電磁波，電磁波輸出端連接圓弧形彎波導，用於引導電磁波傳輸，實現能量的橫向輸出；同 時向匹配負載埠的電磁波直接傳輸到端面，產生反射，會再次耦合入下波導，擾動電子 注，所以在匹配負載埠設置單斜劈介質匹配負載，用於吸收電磁波，減小反射。
[0012] 對於帶狀束行波管，由於帶狀束本身具有較寬的特點並且在磁聚焦系統邊緣區域 電子注的聚焦力變弱，導致電子注零散現象。因而採用直線型漸變段，引入更大、更寬尺寸 的電子注通道，避免電子注因發散而擊打波導壁，提高了電子注的流通率。
[0013] 本發明的發明效果為：
[0014] 1.新型帶狀電子束行波管的輸出結構採用雙矩形波導耦合結構，通過調節耦合縫 的大小、數目、分布實現注波分離，將電磁波從電子注通道內分離出來，並保證了較寬的工 作頻帶（相對帶寬40%以上），具有良好的傳輸性能；
[0015] 2.新型輸出結構的反射係數小於-20dB，有效的抑制邊帶振蕩，增加了器件的穩 定性；
[0016] 3.新型輸出結構在不影響電磁波傳輸的前提下，提供更寬的電子注通道以供電子 注的傳輸，減小零散電子打在電子注通道上的機率，有效提高電子流流通率；
[0017] 4.新型輸出結構通過匹配負載的設置，進一步改善了傳輸係數，彎波導的引入實 現了電磁能量的橫向傳輸；
[0018] 5.新型輸出結構結構簡單，易於加工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明新型帶狀電子束行波管輸出結構的結構示意圖；
[0020] (a)為空氣盒示意圖，其中1為金屬壁、2為電子注通道、3單斜劈介質匹配負載、 4為矩形耦合縫、5為電磁波通道、6為直線型漸變段；Portl表示整個輸出結構的輸入端、 Port2表不整個輸出結構的電子注輸出端、Port3表不整個輸出結構的電磁波輸出端；
[0021] (b)為結構構成圖，其中A表示雙矩形波導耦合結構、B表示圓弧形彎波導、C表示 單斜劈介質匹配負載、D表示直線型漸變段；
[0022] (c)為結構剖視圖。
[0023] 圖2為雙矩形波導耦合結構剖面示意圖，其中PortA為輸入埠、PortB為電子注 輸出埠、PortC為匹配負載埠、PortD為電磁波輸出埠。
[0024] 圖3為圓弧形彎波導的剖面示意圖。
[0025] 圖4為單斜劈介質匹配負載的剖面示意圖。
[0026] 圖5為直線型漸變段的剖面示意圖，其中，W1、W2表示矩形波導矩形截面的長，Y1、 Y2表示矩形波導矩形截面的寬。
[0027] 圖6為本發明新型帶狀電子束行波管輸出結構S參數圖。

【具體實施方式】：
[0028] 下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步詳細說明。為了方便說明，在此只 採用了 36GHz-52GHz的帶狀束行波管輸出結構進行詳細說明，但是，本發明的保護範圍不 局限於此，基於本發明的其他頻段，其他帶狀束行波管輸出結構以及任何熟悉該技術的人 在本發明揭露的技術範圍內，可以想到的變化或者替換，都應該涵蓋在本發明的包含範圍 之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
[0029] 如圖1-5所示為本實施例新型帶狀電子束行波管的輸出結構，包括雙矩形波導 耦合結構A、圓弧形彎波導B、單斜劈介質匹配負載C、直線型漸變段D，其中雙矩形波導耦 合結構包括上、下波導；上波導為電磁波通道5,電磁波通道兩端分別為電磁波輸出埠 PortD、匹配負載埠 PortC ;下波導為電子注通道，電子注通道兩端分別為電子注輸出端 口 PortB、輸入埠 PortA ;所述波通道與電子注通道之間設置矩形耦合縫4,所述圓弧形彎 波導連接於電磁波輸出埠，所述單斜劈介質匹配負載設置於匹配負載埠，所述直線型 漸變段連接於電子注輸出埠。
[0030] 雙矩形波導耦合結構由兩個尺寸完全相同的矩形波導通過多個耦合縫隙相連， 其結構如圖2所示。其中，矩形波導橫截面長為5. 8mm、寬為1. 8mm，用以傳播工作頻帶 為36GHz-52GHz的電磁波，在慢波結構中互作用後的電子注與電磁波由portl傳入矩形 雙波導的下波導內，電磁波通過高度為1. 6mm，長度為6. 5mm，對稱分布且間距均為2mm的 矩形耦合縫進入上波導內，而電子仍通過下波導傳至P〇rt2。耦合縫的寬度依次分別為 0· 2mm，0· 4mm，0· 55m m，0· 55mm，0· 6mm，0· 6mm，0· 55mm，0· 55mm，0· 4mm，0· 2mm〇
[0031] 圓弧形彎波導連接於電磁波輸出埠 PortD，採用圓弧形的彎波導可以大大減小 輸入端的反射係數，提升傳輸性能，其結構如圖3所示，圓弧彎波導的內半徑為2. 5mm，外半 徑為8mm。
[0032] 單斜劈介質匹配負載設置於匹配負載埠，其結構如圖4所示，匹配負載採用斜 劈的結構，實現了與要吸收波的匹配以進一步減小反射。圖中可以看出其尺寸長為6. 5_、 寬為1.8mm，斜劈的高為5. 8mm，本發明選用相對介電常數為10,損耗角正切為0.3的 BeO-SiC作為吸波材料。
[0033] 直線型漸變段為漸變波導，其結構如圖5所示，原先的電子注通道（雙矩形波導 耦合結構的下波導）的尺寸由長W1為5. 8mm、寬Y1為1. 8mm擴大至長W2為7mm、寬Y2為 3mm，由於輸入輸出結構處於聚焦磁場邊緣，加之電子與波互作用後導致電子變形與發散， 增大後的電子注通道可以在原來計算94. 5%通過率的基礎上提高至少5%的電子流通率。
[0034] 如圖6所示為本實施例新型帶狀電子束行波管輸出結構的S參數圖，可以看出在 36GHz-52GHz的超寬頻帶範圍內輸入端Portl的反射係數在-24dB以下，從Portl到電子注 輸出端P〇rt2的電子注通道傳輸係數在-20dB以下，而從Portl到電磁波輸出端Port3的 插入損耗在0. 04dB左右，使得電磁波在超寬頻帶內擁有較好的傳輸參數。
[0035] 把此結構應用於帶狀束行波管上，實現了超寬頻帶大功率傳輸的良好性能，並且 結構簡單，加工方便。作為帶狀束器件的重要組成部分，輸入輸出結構窄帶寬、反射大和電 子流通率低一直制約著帶狀束行波管的實際運用。本發明設計的新型帶狀束行波管輸入輸 出結構不但提供了更寬的電子注通道提高電子的流通率，並能在超寬的帶寬上實現良好的 電磁波傳輸，配合新型的可調聚焦裝置，可令帶狀束行波管模擬仿真中實現99. 5%以上的 電子流通率。
【權利要求】
1. 新型帶狀電子束行波管的輸出結構，其特徵在於，包括雙矩形波導耦合結構、圓弧形 彎波導、單斜劈介質匹配負載、直線型漸變段，其中雙矩形波導耦合結構包括上、下波導；上 波導為電磁波通道，電磁波通道兩端分別為電磁波輸出埠、匹配負載埠；下波導為電子 注通道，電子注通道兩端分別為電子注輸出埠、輸入埠；所述波通道與電子注通道之間 設置矩形耦合縫，所述圓弧形彎波導連接於電磁波輸出埠，所述單斜劈介質匹配負載設 置於匹配負載埠，所述直線型漸變段連接於電子注輸出埠。
2. 按權利要求1所述帶狀電子束行波管的輸出結構，其特徵在於，所述矩形耦合 縫用於實現注波分離，其要求工作頻帶內電磁波的S參數如下：輸入埠的反射係數小 於-20dB ;輸入埠與電子注輸出埠隔離度小於-20dB ;電磁波與電子注輸入埠與匹配 負載埠的隔離度小於_20dB ;輸入埠到電磁波輸出埠之間的插入損耗不超過0. 2dB。
3. 按權利要求1所述帶狀電子束行波管的輸出結構，其特徵在於，所述圓弧形彎波導 用於引導電磁波傳輸，實現能量的橫向輸出。
4. 按權利要求1所述帶狀電子束行波管的輸出結構，其特徵在於，所述直線型漸變段 為漸變矩形波導，用於避免電子注因發散而擊打波導壁，提高了電子注的流通率。
5. 按權利要求1所述帶狀電子束行波管的輸出結構，其特徵在於，所述單斜劈介質匹 配負載用於吸收電磁波，避免電磁波在端面的反射。
【文檔編號】H01J23/36GK104064423SQ201410271271
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月17日 優先權日:2014年6月17日
【發明者】王建勳, 鄭源, 羅勇 申請人:電子科技大學