專利名稱：全波導(dǎo)帶寬標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出大功率螺旋線行波管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全波導(dǎo)帶寬用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出的大功率螺旋線行波 管，屬于微波電真空器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大功率微波電真空器件是雷達(dá)、電子對(duì)抗、通信、制導(dǎo)等現(xiàn)代國(guó) 防軍事裝備最重要的器件。其中螺旋線行波管又以其寬頻帶、高動(dòng)態(tài) 范圍、效率高、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)備受重視，廣泛應(yīng)用于各種發(fā)射機(jī)末級(jí) 功率放大器中。
在一些重要應(yīng)用中，需要s波段寬帶連續(xù)波大功率微波源。為達(dá)
到這種技術(shù)要求，不僅需要盡可能提高螺旋線行波管單管輸出功率， 且須對(duì)幾個(gè)單只行波管輸出進(jìn)行功率合成。這時(shí)采用具備全波導(dǎo)帶寬
并用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出的大功率螺旋線行波管最有利。以S波段BJ32標(biāo) 準(zhǔn)波導(dǎo)為例，要求覆蓋2.6-3.95GHz頻段。
現(xiàn)有技術(shù)資料直接波導(dǎo)輸出行波管如圖1所示。螺旋線慢波線末 端被拉直成為深入波導(dǎo)內(nèi)天線，其末端與一金屬圓筒端部點(diǎn)焊在一 起。金屬圓筒稱為扼流筒，它的外壁與金屬屏蔽筒內(nèi)壁形成一個(gè)終端 開路的Y扼流同軸線，其在波導(dǎo)面上呈現(xiàn)為一個(gè)短路面。波導(dǎo)末端 設(shè)有短路活塞用以調(diào)節(jié)輸出匹配。但這種功率耦合輸出裝置有以下缺點(diǎn)①螺旋線末端未直接通過(guò) 金屬與管殼實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱連接，因而散熱不良，輸出功率有限；②帶寬調(diào) 節(jié)困難，難以做到寬帶匹配。同時(shí)普通波導(dǎo)對(duì)稱盒型窗設(shè)計(jì)其頻帶內(nèi) 不可避免出現(xiàn)鬼模振蕩現(xiàn)象，在大功率應(yīng)用場(chǎng)合很難獲得寬頻帶輸 出，其相對(duì)帶寬一般不超過(guò)20%。實(shí)際上據(jù)查新國(guó)內(nèi)外還沒有用這種
標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出的s波段螺旋線行波管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是研制一種s波段螺旋線行波管，其
輸出可與BJ32標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)直接連接，帶寬覆蓋2.6-3.95GHz (標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo) 全帶寬)，連續(xù)波輸出功率大于2kW以上，以便用于大功率發(fā)射機(jī)與 功率合成系統(tǒng)中。具體需要解決一系列技術(shù)難點(diǎn)如散熱問(wèn)題、寬帶匹 配、大功率輸出和整管制造工藝結(jié)構(gòu)集成。
本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是，全波導(dǎo)帶寬標(biāo)準(zhǔn)波 導(dǎo)輸出大功率螺旋線行波管，包括管體以及其內(nèi)的螺旋線、夾持桿、 扁波導(dǎo)、微波窗，有一螺旋線-脊波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)連接扁波導(dǎo)和螺旋線； 扁波導(dǎo)通過(guò)扁波導(dǎo)-微波窗端接波導(dǎo)過(guò)渡段與微波窗連接；微波窗通 過(guò)過(guò)渡波導(dǎo)連接到輸出端接波導(dǎo)。
所述螺旋線-脊波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)包括螺旋線-同軸線過(guò)渡段，同軸線-帶狀線過(guò)渡段和帶狀線-脊波導(dǎo)過(guò)渡段，從螺旋線-同軸線過(guò)渡段到帶 狀線-脊波導(dǎo)過(guò)渡段寬度逐級(jí)增加，同時(shí)，過(guò)渡結(jié)構(gòu)所處的波導(dǎo)段的 寬度亦為逐級(jí)增加。所述扁波導(dǎo)-微波窗端接波導(dǎo)過(guò)渡段為階梯狀過(guò)渡結(jié)構(gòu)。
所述微波窗包括微波窗端接波導(dǎo)、圓波導(dǎo)段、陶瓷片、金屬陶瓷 封接段和冷卻水套，輸出端接波導(dǎo)的中心與陶瓷窗片的中心不在同一 高度上。過(guò)渡階梯波導(dǎo)的窄邊高度以階梯狀增加，寬邊尺寸不變。所 述冷卻水套為設(shè)置于圓波導(dǎo)段外殼中的水槽。
本發(fā)明的有益效果是，
① 直接標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出提供了一種大功率行波管技術(shù)途徑，包括螺 旋線-標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)特殊匹配過(guò)渡和大功率全波導(dǎo)帶寬無(wú)鬼模振蕩盒型窗 技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)帶寬內(nèi)可大幅提高行波管輸出功率水平。
② 采用本發(fā)明技術(shù)的S波段標(biāo)準(zhǔn)BJ32波導(dǎo)輸出螺旋線行波管樣 管在全波導(dǎo)帶寬內(nèi)(2.6GHz-3.95GHz)匹配性能良好，輸出駐波系數(shù) 小于1.8，在40%相對(duì)帶寬內(nèi)(2.5-3.8GHz)輸出功率大于2.5kW， 在31%相對(duì)帶寬范圍內(nèi)(2.7-3.7GHz)輸出功率大于3.5kW。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)輸出螺旋線行波管輸出結(jié)構(gòu)縱向剖面示意圖。
圖2為本發(fā)明波導(dǎo)輸出螺旋線行波管輸出結(jié)構(gòu)側(cè)向剖面示意圖 (左圖)與正向剖面示意圖(右圖)。
圖3為現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)盒型窗結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為本發(fā)明全波導(dǎo)帶寬波導(dǎo)盒型窗結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明技術(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(wú)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 設(shè)計(jì)了一種由異形金屬條與變形波導(dǎo)壁組成的過(guò)渡結(jié)構(gòu)，該結(jié) 構(gòu)保證了在全波導(dǎo)帶寬內(nèi)由螺旋線到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)模式變換與阻抗匹配， 其駐波系數(shù)1.26，并且保證了螺旋線輸出端與管壁的直接金屬焊接連 接，從而保證了良好散熱性能，使得微波性能與散熱性能同時(shí)達(dá)到最 佳。
(D設(shè)計(jì)了一種大功率全波導(dǎo)帶寬無(wú)鬼模振蕩可與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)對(duì)接 的盒型窗，采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，陶瓷窗片直徑小于標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)寬邊，
實(shí)現(xiàn)了近40%相對(duì)帶寬范圍內(nèi)無(wú)鬼模振蕩匹配輸出，而普通波導(dǎo)盒型 窗相對(duì)帶寬則不超過(guò)20%。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)波導(dǎo)輸出螺旋線行波管輸出結(jié)構(gòu)縱向剖面示意 圖，包括螺旋線l，夾持桿2，短路活塞3，細(xì)天線4，扼流筒5，普 通波導(dǎo)盒型窗，輸出波導(dǎo)7。此種輸出結(jié)構(gòu)頻帶較窄，散熱能力差。
圖2為本發(fā)明波導(dǎo)輸出螺旋線行波管輸出結(jié)構(gòu)縱向剖面示意圖 (左圖)與橫向剖面示意圖(右圖)，包括螺旋線11，陶瓷夾持桿12， 螺旋線至波導(dǎo)匹配直接特殊金屬連接段由螺旋線-同軸線過(guò)渡13，同 軸線-帶狀線過(guò)渡14，帶狀線-脊波導(dǎo)過(guò)渡15，脊波導(dǎo)-扁波導(dǎo)過(guò)渡16， 扁波導(dǎo)17，扁波導(dǎo)-微波窗端接波導(dǎo)過(guò)渡18，大功率全波導(dǎo)帶寬微波 窗19，微波窗端接波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)過(guò)渡20和輸出標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)21構(gòu)成。該部分完成微波傳播模式由螺旋線慢波向標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)快波模式傳輸轉(zhuǎn) 換，為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如圖2的右圖。
作為一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，螺旋線-同軸線-帶狀線過(guò)渡
由一段長(zhǎng)度不大于50mm厚度為3mm無(wú)氧銅帶構(gòu)成，其中螺旋線-同軸線過(guò)渡段13的無(wú)氧銅帶厚度不小于2mm，螺旋線-同軸線過(guò)渡段 13對(duì)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j為 6mm，扁波導(dǎo)17內(nèi)的脊條寬度n為21mm，脊條高度e為6mm，脊 波導(dǎo)高度d為8mm。圖2 (右圖)中螺旋線-同軸線過(guò)渡段13對(duì)應(yīng)波 導(dǎo)寬度k為10mm，同軸線-帶狀線過(guò)渡14對(duì)應(yīng)波導(dǎo)寬度1為26mm， 帶狀線-脊波導(dǎo)過(guò)渡15對(duì)應(yīng)波導(dǎo)寬度m為45mm，以后波導(dǎo)寬度p與 輸出標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)21寬度一致，為72.14mm。其總體長(zhǎng)度不大于 250mm(圖中h標(biāo)記)。
圖中具體的尺寸為(除角度外，其余單位為mm) a=34.04 b=12 c=6.5 d=8 e=6 f=3 g=2 h<250 i<40 j=6k=101=25 m=46 n=21 p=72.14 4>=606為45 50°
扁波導(dǎo)-微波窗端接波導(dǎo)過(guò)渡段18、微波窗端接波導(dǎo)-標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)之 間的過(guò)渡波導(dǎo)20由階梯波導(dǎo)構(gòu)成。微波窗端接波導(dǎo)尺寸參數(shù)由大功 率全波導(dǎo)帶寬盒型窗設(shè)計(jì)時(shí)決定。通過(guò)優(yōu)化這一特殊匹配過(guò)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(shí)，又具有較低的輸出駐 波參數(shù)。實(shí)施例1提供的參數(shù)即具有這一特性。圖2中脊波導(dǎo)的脊條 和波導(dǎo)壁焊接在一起，同時(shí)波導(dǎo)壁又與行波管管殼為一體結(jié)構(gòu)，把螺 旋線末端頭的熱量通過(guò)這一特殊匹配過(guò)渡短金屬條直接傳導(dǎo)至行波管管殼，保證了螺旋線末端具有良好的散熱能力；結(jié)合特殊匹配段的 優(yōu)良微波功率傳輸特性共同為整管大功率微波輸出提供了保證。
圖3為現(xiàn)有波導(dǎo)盒型窗技術(shù)的示意圖。圖中31為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)
段，32為介質(zhì)片，33為圓波導(dǎo)段，34為介質(zhì)金屬封接段，為對(duì)稱結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)。 一般而言，介質(zhì)片直徑大于矩形波導(dǎo)截面對(duì)角線長(zhǎng)度。
圖4為本發(fā)明大功率全波導(dǎo)帶寬盒型窗的示意圖。包括微波窗端 接波導(dǎo)41、圓波導(dǎo)段42、陶瓷片43、金屬陶瓷封接段44、冷卻水套 45、過(guò)渡波導(dǎo)20和標(biāo)準(zhǔn)輸出端接波導(dǎo)21。本發(fā)明選擇減小端接波導(dǎo) 窄邊高度，而保持波導(dǎo)寬邊尺寸不變，端接波導(dǎo)與輸出標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)高度 比為0.8左右。同時(shí)優(yōu)化盒型窗其它結(jié)構(gòu)參數(shù)，抑制帶寬內(nèi)鬼模振蕩 模式。過(guò)渡階梯波導(dǎo)完成端接波導(dǎo)至標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)阻抗匹配功能。此時(shí)輸 出端接波導(dǎo)21中心與陶瓷窗片43中心不在同一高度上，即為不對(duì)稱 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
優(yōu)化設(shè)計(jì)后，這種盒型窗在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)帶寬內(nèi)具有優(yōu)良的駐波特 性，具有以下特點(diǎn)陶瓷窗片直徑較小，小于波導(dǎo)寬邊尺寸；窗片厚 度與直徑比仍可保持較高，約0.03，同時(shí)保證了真空密封工藝和機(jī)械 強(qiáng)度要求，且較小的陶瓷窗片體積也減小了微波窗介質(zhì)損耗；金屬陶 瓷封接處采用硬焊料封接，如銀銅焊料；金屬陶瓷封接處外部接有循 環(huán)冷卻水套，完成陶瓷窗片的冷卻散熱。
權(quán)利要求
1. 全波導(dǎo)帶寬標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出大功率螺旋線行波管，包括管體(30)以及其內(nèi)的螺旋線(11)、夾持桿(12)、扁波導(dǎo)(17)、微波窗(19)，其特征在于，有一螺旋線-脊波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)連接扁波導(dǎo)(17)和螺旋線(11)；扁波導(dǎo)(17)通過(guò)扁波導(dǎo)-微波窗端接波導(dǎo)過(guò)渡段(18)與微波窗(19)連接；微波窗(19)通過(guò)過(guò)渡波導(dǎo)(20)連接到輸出端接波導(dǎo)(21)。
2、 如權(quán)利要求1所述的全波導(dǎo)帶寬標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出大功率螺旋線 行波管，其特征在于，所述螺旋線-脊波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)包括螺旋線-同軸 線過(guò)渡段(13)，同軸線-帶狀線過(guò)渡段(14)和帶狀線-脊波導(dǎo)過(guò)渡段(15)，從螺旋線-同軸線過(guò)渡段(13)到帶狀線-脊波導(dǎo)過(guò)渡段(15) 寬度逐級(jí)增加，同時(shí)，螺旋線-脊波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)所處的波導(dǎo)段的寬度 亦為逐級(jí)增加。
3、 如權(quán)利要求1所述的全波導(dǎo)帶寬標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出大功率螺旋線 行波管，其特征在于，所述扁波導(dǎo)-微波窗端接波導(dǎo)過(guò)渡段(18)為 階梯狀過(guò)渡結(jié)構(gòu)。
4、 如權(quán)利要求1所述的全波導(dǎo)帶寬標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出大功率螺旋線 行波管，其特征在于，所述微波窗(19)包括微波窗端接波導(dǎo)(41)、 圓波導(dǎo)段(42)、陶瓷片(43)、金屬陶瓷封接段(44)和冷卻水套(45)， 輸出端接波導(dǎo)(21)的中心與陶瓷窗片(43)的中心不在同一高度上。
5、 如權(quán)利要求4所述的全波導(dǎo)帶寬標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出大功率螺旋線 行波管，其特征在于，所述冷卻水套(45)為設(shè)置于圓波導(dǎo)段(42) 外殼中的水槽。
6、 如權(quán)利要求1所述的全波導(dǎo)帶寬標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出大功率螺旋線 行波管，其特征在于，過(guò)渡波導(dǎo)(20)為階梯狀結(jié)構(gòu)。
全文摘要
全波導(dǎo)帶寬標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出大功率螺旋線行波管，涉及一種全波導(dǎo)帶寬用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)輸出的大功率螺旋線行波管，屬于微波電真空器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括管體以及其內(nèi)的螺旋線、夾持桿、扁波導(dǎo)、微波窗，有一螺旋線-脊波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)連接扁波導(dǎo)和螺旋線；扁波導(dǎo)通過(guò)扁波導(dǎo)-微波窗端接波導(dǎo)過(guò)渡段與微波窗連接；微波窗通過(guò)過(guò)渡波導(dǎo)連接到輸出端接波導(dǎo)。本發(fā)明的有益效果是，在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)帶寬內(nèi)可大幅提高行波管輸出功率水平，匹配性能良好。
文檔編號(hào)H01J25/34GK101281851SQ20081004431
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者李家胤, 李明光, 汪海洋 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)