專利名稱：直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程大功率螺旋線行波管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波電真空器件技術(shù)，特別涉及寬帶大功率螺旋線行 波管。
技術(shù)背景寬帶大功率行波管是雷達(dá)、電子對抗裝備的核心器件。倍頻程行 波管一般采用螺旋線慢波線、同軸陶瓷輸出窗結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中需 要用寬頻帶脊波導(dǎo)將微波傳輸至天線時，常采用同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換適 配器過渡到脊波導(dǎo)傳輸線。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是有足夠的頻帶，可達(dá)一個倍頻程甚至更高，但 缺點(diǎn)是散熱性能差，輸出功率有限。因?yàn)棰?螺旋線末端與同軸輸出窗內(nèi)導(dǎo)體的連接處是熱損壞的高危區(qū)。 此段區(qū)域?yàn)樾胁ü芪⒉üβ瘦敵霾糠?，高頻損耗大，同時也是螺旋線 因電子束擾動截獲電流較多的區(qū)域，這兩種因數(shù)構(gòu)成了螺旋線末端主 要熱源。螺旋線熱量耗散一般通過陶瓷夾持桿的接觸傳導(dǎo)至管殼，未 與夾持桿接觸的螺旋線拉直段和同軸輸出內(nèi)導(dǎo)體熱量則只能通過同 軸內(nèi)導(dǎo)體傳至圓柱陶瓷輸出窗，再經(jīng)此陶瓷窗體傳導(dǎo)至管殼，整個熱 傳導(dǎo)路徑長，熱阻大，常導(dǎo)致螺旋線與內(nèi)導(dǎo)體連接處因過熱變形甚至直接燒斷造成整管燒毀。目前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明s波段同軸輸出結(jié)構(gòu)螺旋 線行波管可承受連續(xù)波輸出最大功率為1.8kW左右，有時小于此功 率也可發(fā)生連接處燒斷導(dǎo)致整管損壞現(xiàn)象。國內(nèi)S波段此類行波管最 大連續(xù)波輸出功率為1.5kW。② 同軸輸出窗與同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換適配器的連接又是另外一個熱 毀傷薄弱點(diǎn)。由于同軸接頭內(nèi)外導(dǎo)體通過插針和螺紋連接，大功率應(yīng) 用時高頻損耗大，發(fā)熱嚴(yán)重；而發(fā)熱反過來又加劇高頻損耗。這種惡 性循環(huán)是常常造成螺旋線行波管損壞又一原因，而且轉(zhuǎn)換過渡裝置的 損耗也降低了行波管的有用輸出功率和總體效率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是研制一種新型的螺旋線行波管，它在S波段具有2-4GHz帶寬和超過目前國內(nèi)最高水平的連續(xù)波輸出功 率，同時其輸出可不經(jīng)過轉(zhuǎn)換直接與脊波導(dǎo)連接，以適應(yīng)倍頻程高平 均功率直接送至脊波導(dǎo)傳輸實(shí)際應(yīng)用需求。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是直接脊波導(dǎo)輸出倍 頻程大功率螺旋線行波管，包括管體和脊波導(dǎo)段，所述管體內(nèi)設(shè)置有 螺旋線，脊波導(dǎo)段包括輸出脊波導(dǎo)，所述螺旋線通過匹配過渡段與波 導(dǎo)壁連接，同時構(gòu)成熱傳導(dǎo)連接；所述匹配過渡段由螺旋線-同軸線 過渡段、同軸線-帶狀線過渡段、帶狀線-扁脊波導(dǎo)過渡段、扁脊波導(dǎo) -脊波導(dǎo)過渡段構(gòu)成。所述螺旋線-同軸線過渡段、同軸線-帶狀線過渡段、帶狀線-扁脊 波導(dǎo)過渡段、扁脊波導(dǎo)-脊波導(dǎo)過渡段的厚度和寬度逐級增大。匹配 過渡段所在的波導(dǎo)內(nèi)腔寬度逐級增大。進(jìn)一步的說，具體尺寸為螺旋線-同軸線過渡段對應(yīng)行波管外導(dǎo)體管殼切口角度范圍為40-50° ;帶狀線寬度為3.5mm，帶狀線對應(yīng)波導(dǎo)高度8mm，寬度22mm; 脊波導(dǎo)脊條寬度為14.5mm，脊條高度為9.5mm，脊波導(dǎo)高度為12mm， 帶狀線-脊波導(dǎo)過渡對應(yīng)波導(dǎo)寬度54mm，以后波導(dǎo)寬度與輸出脊波導(dǎo) 寬度一致，為72.14mm。進(jìn)一步的，所述脊波導(dǎo)段包括一個微波窗，所述微波窗包括陶瓷 片和圓波導(dǎo)段，在圓波導(dǎo)段內(nèi)，陶瓷片的兩側(cè)分別設(shè)置有一條匹配金 屬脊條。本發(fā)明的有益效果是，①直接脊波導(dǎo)輸出提供了了一種倍頻程大功率行波管新的技術(shù) 途徑，包括螺旋線-脊波導(dǎo)特殊匹配過渡和大功率脊波導(dǎo)微波窗，在 保持螺旋線行波管寬頻帶優(yōu)勢同時可有效大幅提高行波管輸出功率，避免了傳統(tǒng)同軸窗輸出再轉(zhuǎn)脊波導(dǎo)輸出螺旋線行波管所帶來的上述 負(fù)面效應(yīng)與輸出功率限制。②采用本發(fā)明技術(shù)的S波段直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程大功率螺旋線行波管樣管在2GHz-4GHz頻帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好輸出匹配性能，整 管輸出駐波系數(shù)小于1.6，頻帶內(nèi)最大連續(xù)波輸出功率己達(dá)3kW。本發(fā)明是在S波段用單脊波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的，但結(jié)構(gòu)原理同樣適用于其 它頻率波段和雙脊波導(dǎo)輸出大功率螺旋線行波管。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)同軸輸出螺旋線行波管輸出與對應(yīng)同軸-脊波導(dǎo) 轉(zhuǎn)換適配器縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2和圖3是本發(fā)明直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程螺旋線行波管(包括 大功率脊波導(dǎo)微波窗)輸出結(jié)構(gòu)側(cè)向剖面示意圖(左圖)與正向剖面 示意圖(右圖)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明有四個技術(shù)要點(diǎn)① 螺旋線末端局部焊接技術(shù)，采用了四根梯形氧化鈹陶瓷夾持桿 (一般采用三根)夾持螺旋線。在發(fā)熱最嚴(yán)重的一段夾持桿內(nèi)側(cè)與螺旋線銅帶焊接，外側(cè)與通水冷卻的無氧銅外導(dǎo)體管殼焊接，實(shí)現(xiàn)了良 好的熱接觸，改善了散熱性能。② 新型螺旋線-脊波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)采用一種特殊的匹配金屬條將螺 旋線末端通過無氧銅直接以焊接方式連接到管壁上，保證了良好的散 熱通路；同時該金屬條又與異形波導(dǎo)壁構(gòu)成一種特殊變換結(jié)構(gòu)，完成 螺旋線模式向脊波導(dǎo)模式變換并保證阻抗匹配。在2-4GHz頻段范圍 內(nèi)，設(shè)計(jì)駐波系數(shù)小于1.2。③ 大功率脊波導(dǎo)微波窗(發(fā)明專利申請?zhí)?00710048598.1)在保持真空密封同時，在兩側(cè)脊波導(dǎo)脊條無接觸的情況下完成了倍頻程大功率微波的正常傳輸，駐波系數(shù)小于1.3 (包括測試用的端接脊波 導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換)。④新型倍頻程大功率螺旋線行波管的整體實(shí)現(xiàn)，采用了通水冷卻 無氧銅外導(dǎo)體管殼，部分填充周期永磁聚焦系統(tǒng)和合理的輸出大部件 結(jié)構(gòu)，保證了上述改進(jìn)措施可以很好地集成到一只行波管中，在2-4GHz帶寬內(nèi)連續(xù)波輸出功率大于2kW，最大已達(dá)3kW。圖1為現(xiàn)有技術(shù)同軸輸出螺旋線行波管輸出與同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換 適配器結(jié)構(gòu)，包括螺旋線l，夾持桿2，螺旋線-同軸內(nèi)導(dǎo)體連接處3， 同軸線內(nèi)導(dǎo)體4和圓柱形陶瓷窗5，行波管輸出同軸接頭6，同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換適配器同軸接頭7，同軸接頭內(nèi)導(dǎo)體支撐絕緣子8，輸出 脊波導(dǎo)9。這種結(jié)構(gòu)輸出具有頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，但輸出散熱能力差，連續(xù)波輸 出功率很難超過2kW。圖中行波管輸出同軸接頭6，同軸-脊波導(dǎo)轉(zhuǎn) 換適配器同軸接頭7大功率應(yīng)用時高頻損耗較大，內(nèi)導(dǎo)體不易散熱， 整個內(nèi)導(dǎo)體組件主要通過圓柱陶瓷窗體與陶瓷支撐介質(zhì)絕緣子散熱， 不能通過金屬連接結(jié)構(gòu)直接散熱。圖2為本發(fā)明直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程螺旋線行波管輸出部分結(jié) 構(gòu)側(cè)向剖面示意圖(左圖)與正向(右圖)。從原理結(jié)構(gòu)上來說，匹 配過渡段包括螺旋線ll，夾持桿12，螺旋線-同軸線過渡13，同軸線 -帶狀線過渡14，帶狀線-扁脊波導(dǎo)過渡15，扁脊波導(dǎo)-脊波導(dǎo)過渡16，完成微波傳播模式由螺旋線慢波向脊波導(dǎo)快波傳輸轉(zhuǎn)換，其總體長度 不大于150mm，為左右對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2、 3的右圖。通過優(yōu)化這一匹配過渡段結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得在保證螺旋線末端散熱能力的同時，又 具有良好微波功率傳輸性能。本發(fā)明的直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程大功率螺旋線行波管，包括行波 管31和脊波導(dǎo)段23，所述管體31內(nèi)設(shè)置有螺旋線11，脊波導(dǎo)段23 包括輸出脊波導(dǎo)18，所述螺旋線11通過匹配過渡段與波導(dǎo)壁20連 接，同時構(gòu)成熱傳導(dǎo)連接；所述匹配過渡段由螺旋線-同軸線過渡段13、同軸線-帶狀線過渡段14、帶狀線-扁脊波導(dǎo)過渡段15、扁脊波導(dǎo)-脊波導(dǎo)過渡段16構(gòu)成， 并且厚度和寬度逐級增大，匹配過渡段所在的波導(dǎo)內(nèi)腔寬度逐級增所述脊波導(dǎo)段23包括一個微波窗17，所述微波窗17包括陶瓷 片21和圓波導(dǎo)段22，在圓波導(dǎo)段22內(nèi)，陶瓷片21的兩側(cè)分別設(shè)置 有一條匹配金屬脊條。具體結(jié)構(gòu)參見申請?zhí)枮?00710048598.1的發(fā)明專利申請。作為一個實(shí)施例，見圖3。螺旋線-同軸線-帶狀線過渡由一段長 度不大于20mm厚度為3.5mm無氧銅帶構(gòu)成，其中螺旋線-同軸線過 渡段無氧銅帶厚度為2.5mm。螺旋線-同軸線過渡段13對應(yīng)行波管外 導(dǎo)體管殼切口角度范圍為40-50°。帶狀線寬度f為3.5mm，帶狀線對 應(yīng)波導(dǎo)高度g為8mm，寬度h為22mm;脊波導(dǎo)脊條寬度b為14.5mm， 脊條高度a為9.5mm，扁脊波導(dǎo)高度c為12mm。圖2 (右圖)帶狀 線-脊波導(dǎo)過渡15對應(yīng)波導(dǎo)寬度d為54mm，以后波導(dǎo)寬度與輸出脊 波導(dǎo)18寬度一致，為72.14mm，圖示為e。圖2中其他幾項(xiàng)參數(shù)為k=3.75mm， m=42,98mm， n=15mm， p=16mm， q=25.5mm， r=9mm， t=6mrn。通過本發(fā)明所公開的參數(shù)， 本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)能夠無困難的再現(xiàn)本發(fā)明。本發(fā)明的脊波導(dǎo)脊條與波導(dǎo)壁焊接在一起，同時波導(dǎo)壁又與行波 管管殼為一體結(jié)構(gòu)，使得最后幾圈螺旋線末端頭的耗散熱量通過這一 特殊匹配過渡金屬條直接傳導(dǎo)至行波管管殼，保證了螺旋線末端具有 良好的散熱能力，大幅提高了螺旋線行波管整管連續(xù)波輸出功率水 平。扁脊波導(dǎo)-脊波導(dǎo)過渡16輸出與大功率脊波導(dǎo)微波窗17對接后， 優(yōu)化輸出匹配過渡整體結(jié)構(gòu)參數(shù)可獲得整管倍頻程良好駐波特性，在 大幅提高整管輸出功率同時保持了螺旋線行波管寬頻帶優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1. 直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程大功率螺旋線行波管，包括管體(31)和脊波導(dǎo)段(23)，所述管體(31)內(nèi)設(shè)置有螺旋線(11)，脊波導(dǎo)段(23)包括輸出脊波導(dǎo)(18)，其特征在于，所述螺旋線(11)通過匹配過渡段與波導(dǎo)壁(20)連接，同時構(gòu)成熱傳導(dǎo)連接；所述匹配過渡段由螺旋線-同軸線過渡段(13)、同軸線-帶狀線過渡段(14)、帶狀線-扁脊波導(dǎo)過渡段(15)、扁脊波導(dǎo)-脊波導(dǎo)過渡段(16)構(gòu)成。
2、 如權(quán)利要求1所述的直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程大功率螺旋線行 波管，其特征在于，所述螺旋線-同軸線過渡段(13)、同軸線-帶狀 線過渡段(14)、帶狀線-扁脊波導(dǎo)過渡段(15)、扁脊波導(dǎo)-脊波導(dǎo)過 渡段(16)的厚度和寬度逐級增大。
3、 如權(quán)利要求2所述的直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程大功率螺旋線行 波管，其特征在于，匹配過渡段所在的波導(dǎo)內(nèi)腔寬度逐級增大。
4、 如權(quán)利要求3所述的直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程大功率螺旋線行 波管，其特征在于，具體尺寸為螺旋線-同軸線過渡段(13)對應(yīng)行波管外導(dǎo)體管殼切口角度范 圍為40-50°;帶狀線寬度為3.5mm，帶狀線對應(yīng)波導(dǎo)高度8mm，寬 度22mm;脊波導(dǎo)脊條寬度為14.5mm，脊條高度為9.5mm，脊波導(dǎo) 高度為12mm，帶狀線-脊波導(dǎo)過渡(15)對應(yīng)波導(dǎo)寬度54mm，以后 波導(dǎo)寬度與輸出脊波導(dǎo)(18)寬度一致，為72.14mm。
5、 如權(quán)利要求1所述的直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程大功率螺旋線行 波管，其特征在于，所述脊波導(dǎo)段(23)包括一個微波窗(17)，所 述微波窗(17)包括陶瓷片(21)和圓波導(dǎo)段(22)，在圓波導(dǎo)段(22) 內(nèi)，陶瓷片(21)的兩側(cè)分別設(shè)置有一條匹配金屬脊條。
全文摘要
直接脊波導(dǎo)輸出倍頻程大功率螺旋線行波管，涉及微波電真空器件技術(shù)，特別涉及寬帶大功率螺旋線行波管。本發(fā)明包括行波管和脊波導(dǎo)段，所述管體內(nèi)設(shè)置有螺旋線，脊波導(dǎo)段包括輸出脊波導(dǎo)，所述螺旋線通過匹配過渡段與波導(dǎo)壁連接，同時構(gòu)成熱傳導(dǎo)連接；所述匹配過渡段由螺旋線-同軸線過渡段、同軸線-帶狀線過渡段、帶狀線-扁脊波導(dǎo)過渡段、扁脊波導(dǎo)-脊波導(dǎo)過渡段構(gòu)成。本發(fā)明的有益效果是，在保持螺旋線行波管寬頻帶優(yōu)勢同時可有效大幅提高行波管輸出功率，避免了傳統(tǒng)同軸窗輸出再轉(zhuǎn)脊波導(dǎo)輸出螺旋線行波管所帶來的上述負(fù)面效應(yīng)與輸出功率限制。
文檔編號H01J23/26GK101266908SQ20081004430
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月28日
發(fā)明者李家胤, 李明光, 汪海洋 申請人:電子科技大學(xué)