新型帶狀電子束行波管輸出結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型帶狀電子束行波管輸出結(jié)構(gòu)，該輸出結(jié)構(gòu)包括雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)、圓弧形彎波導(dǎo)、單斜劈介質(zhì)匹配負載、直線型漸變段，其中雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)包括上、下波導(dǎo)；上波導(dǎo)為電磁波通道，電磁波通道兩端分別為電磁波輸出端口、匹配負載端口；下波導(dǎo)為電子注通道，電子注通道兩端分別為電子注輸出端口、輸入端口；所述波通道與電子注通道之間設(shè)置矩形耦合縫，所述圓弧形彎波導(dǎo)連接于電磁波輸出端口，所述單斜劈介質(zhì)匹配負載設(shè)置于匹配負載端口，所述直線型漸變段連接于電子注輸出端口。該新型結(jié)構(gòu)能夠有效地實現(xiàn)注波分離、提供較寬的電子注通道、隔離高頻互作用區(qū)和收集極區(qū)并且在較寬頻帶上擁有較好的傳輸系數(shù)。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波真空器件領(lǐng)域，涉及用于大功率微波真空器件的輸出結(jié)構(gòu)，具體 為一種新型帶狀電子束行波管的超寬頻帶輸出結(jié)構(gòu)。 新型帶狀電子束行波管輸出結(jié)構(gòu)

【背景技術(shù)】
[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(zhuǎn)換成微波能量的器件。電子槍產(chǎn)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(jié)構(gòu)運動。電子注在高頻結(jié)構(gòu)中與高頻場相互作用，將電子的能 量轉(zhuǎn)化成高頻能量。為了實現(xiàn)注波互作用過程，需要通過輸入結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu)耦合到輸出回路上去。合理的輸出結(jié)構(gòu)對提高器件整體的性能，增加器件的穩(wěn)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(jié)構(gòu)主要采用脊波導(dǎo)結(jié)合彎頭的方式，電子注沿脊 波導(dǎo)的縱向輸入輸出，高頻能量從脊波導(dǎo)上的彎頭耦合腔輸入輸出。然而，由于脊波導(dǎo)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(fā)散以致打在波導(dǎo)壁上，破壞輸出結(jié) 構(gòu)，影響管子的性能與壽命；并且為了增大電子的流通率，脊波導(dǎo)的尺寸不能過小，這就導(dǎo) 致部分電磁波會進入收集極區(qū)，會對器件的性能以及穩(wěn)定性造成影響；同時，彎波導(dǎo)雖然可 以引導(dǎo)電磁波實現(xiàn)與電子注的分離，但由于它是與脊波導(dǎo)連通的，仍會有一定數(shù)目的電子 因具有與彎波導(dǎo)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，由于脊波導(dǎo)連接結(jié)構(gòu)的工作帶寬十分有限，導(dǎo)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(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對上述問題提供一種極寬頻帶、高電子通過率并且便于加工 的新型帶狀電子束行波管輸出結(jié)構(gòu)，該新型結(jié)構(gòu)能夠有效地實現(xiàn)注波分離、提供較寬的電 子注通道、隔離高頻互作用區(qū)和收集極區(qū)并且在較寬頻帶上擁有較好的傳輸系數(shù)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：新型帶狀電子束行波管的輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括雙矩 形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)、圓弧形彎波導(dǎo)、單斜劈介質(zhì)匹配負載、直線型漸變段，其中雙矩形波導(dǎo)耦 合結(jié)構(gòu)包括上、下波導(dǎo)；上波導(dǎo)為電磁波通道，電磁波通道兩端分別為電磁波輸出端口、匹 配負載端口；下波導(dǎo)為電子注通道，電子注通道兩端分別為電子注輸出端口、輸入端口；所 述波通道與電子注通道之間設(shè)置矩形耦合縫，所述圓弧形彎波導(dǎo)連接于電磁波輸出端口， 所述單斜劈介質(zhì)匹配負載設(shè)置于匹配負載端口，所述直線型漸變段連接于電子注輸出端 □。
[0006] 進一步的，所述矩形耦合縫用于實現(xiàn)注波分離，其要求工作頻帶內(nèi)電磁波的S參 數(shù)如下：輸入端口的反射系數(shù)小于 _20dB ;輸入端口與電子注輸出端口隔離度小于-20dB ; 電磁波與電子注輸入端口與匹配負載端口的隔離度小于-20dB ;輸入端口到電磁波輸出端 口之間的插入損耗不超過0. 2dB。
[0007] 所述圓弧形彎波導(dǎo)用于引導(dǎo)電磁波傳輸，實現(xiàn)能量的橫向輸出。
[0008] 所述直線型漸變段為漸變矩形波導(dǎo)，用于避免電子注因發(fā)散而擊打波導(dǎo)壁，提高 了電子注的流通率。
[0009] 所述單斜劈介質(zhì)匹配負載用于吸收電磁波，避免電磁波在端面的反射。
[0010] 本發(fā)明采用雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，通過多個矩形縫隙連接上、下波導(dǎo)，使高頻電磁 波在不干擾電子注傳輸?shù)那闆r下從電子注通道（下波導(dǎo)）耦合到電磁波通道中（上波導(dǎo)）。 通過調(diào)節(jié)縫寬、縫長獲得較好的電磁波耦合量；通過調(diào)節(jié)縫隙數(shù)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(jié)構(gòu)更加緊湊。
[0011] 在工作中，電磁波通過雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)在上波導(dǎo)中同時耦合出向兩端傳輸?shù)?電磁波，電磁波輸出端連接圓弧形彎波導(dǎo)，用于引導(dǎo)電磁波傳輸，實現(xiàn)能量的橫向輸出；同 時向匹配負載端口的電磁波直接傳輸?shù)蕉嗣妫a(chǎn)生反射，會再次耦合入下波導(dǎo)，擾動電子 注，所以在匹配負載端口設(shè)置單斜劈介質(zhì)匹配負載，用于吸收電磁波，減小反射。
[0012] 對于帶狀束行波管，由于帶狀束本身具有較寬的特點并且在磁聚焦系統(tǒng)邊緣區(qū)域 電子注的聚焦力變?nèi)?，?dǎo)致電子注零散現(xiàn)象。因而采用直線型漸變段，引入更大、更寬尺寸 的電子注通道，避免電子注因發(fā)散而擊打波導(dǎo)壁，提高了電子注的流通率。
[0013] 本發(fā)明的發(fā)明效果為：
[0014] 1.新型帶狀電子束行波管的輸出結(jié)構(gòu)采用雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)耦合縫 的大小、數(shù)目、分布實現(xiàn)注波分離，將電磁波從電子注通道內(nèi)分離出來，并保證了較寬的工 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(jié)構(gòu)的反射系數(shù)小于-20dB，有效的抑制邊帶振蕩，增加了器件的穩(wěn) 定性；
[0016] 3.新型輸出結(jié)構(gòu)在不影響電磁波傳輸?shù)那疤嵯?，提供更寬的電子注通道以供電?注的傳輸，減小零散電子打在電子注通道上的幾率，有效提高電子流流通率；
[0017] 4.新型輸出結(jié)構(gòu)通過匹配負載的設(shè)置，進一步改善了傳輸系數(shù)，彎波導(dǎo)的引入實 現(xiàn)了電磁能量的橫向傳輸；
[0018] 5.新型輸出結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明新型帶狀電子束行波管輸出結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(zhì)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(jié)構(gòu)的輸入端、 Port2表不整個輸出結(jié)構(gòu)的電子注輸出端、Port3表不整個輸出結(jié)構(gòu)的電磁波輸出端；
[0021] (b)為結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖，其中A表示雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)、B表示圓弧形彎波導(dǎo)、C表示 單斜劈介質(zhì)匹配負載、D表示直線型漸變段；
[0022] (c)為結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0023] 圖2為雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)剖面示意圖，其中PortA為輸入端口、PortB為電子注 輸出端口、PortC為匹配負載端口、PortD為電磁波輸出端口。
[0024] 圖3為圓弧形彎波導(dǎo)的剖面示意圖。
[0025] 圖4為單斜劈介質(zhì)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(dǎo)矩形截面的長，Y1、 Y2表示矩形波導(dǎo)矩形截面的寬。
[0027] 圖6為本發(fā)明新型帶狀電子束行波管輸出結(jié)構(gòu)S參數(shù)圖。

【具體實施方式】：
[0028] 下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。為了方便說明，在此只 采用了 36GHz-52GHz的帶狀束行波管輸出結(jié)構(gòu)進行詳細說明，但是，本發(fā)明的保護范圍不 局限于此，基于本發(fā)明的其他頻段，其他帶狀束行波管輸出結(jié)構(gòu)以及任何熟悉該技術(shù)的人 在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以想到的變化或者替換，都應(yīng)該涵蓋在本發(fā)明的包含范圍 之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
[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(jié)構(gòu)，包括雙矩形波導(dǎo) 耦合結(jié)構(gòu)A、圓弧形彎波導(dǎo)B、單斜劈介質(zhì)匹配負載C、直線型漸變段D，其中雙矩形波導(dǎo)耦 合結(jié)構(gòu)包括上、下波導(dǎo)；上波導(dǎo)為電磁波通道5,電磁波通道兩端分別為電磁波輸出端口 PortD、匹配負載端口 PortC ;下波導(dǎo)為電子注通道，電子注通道兩端分別為電子注輸出端 口 PortB、輸入端口 PortA ;所述波通道與電子注通道之間設(shè)置矩形耦合縫4,所述圓弧形彎 波導(dǎo)連接于電磁波輸出端口，所述單斜劈介質(zhì)匹配負載設(shè)置于匹配負載端口，所述直線型 漸變段連接于電子注輸出端口。
[0030] 雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)由兩個尺寸完全相同的矩形波導(dǎo)通過多個耦合縫隙相連， 其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，矩形波導(dǎo)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(jié)構(gòu)中互作用后的電子注與電磁波由portl傳入矩形 雙波導(dǎo)的下波導(dǎo)內(nèi)，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(dǎo)內(nèi)，而電子仍通過下波導(dǎo)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(dǎo)連接于電磁波輸出端口 PortD，采用圓弧形的彎波導(dǎo)可以大大減小 輸入端的反射系數(shù)，提升傳輸性能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，圓弧彎波導(dǎo)的內(nèi)半徑為2. 5mm，外半 徑為8mm。
[0032] 單斜劈介質(zhì)匹配負載設(shè)置于匹配負載端口，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，匹配負載采用斜 劈的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(fā)明選用相對介電常數(shù)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(dǎo)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，原先的電子注通道（雙矩形波導(dǎo) 耦合結(jié)構(gòu)的下波導(dǎo)）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，由于輸入輸出結(jié)構(gòu)處于聚焦磁場邊緣，加之電子與波互作用后導(dǎo)致電子變形與發(fā)散， 增大后的電子注通道可以在原來計算94. 5%通過率的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的S參數(shù)圖，可以看出在 36GHz-52GHz的超寬頻帶范圍內(nèi)輸入端Portl的反射系數(shù)在-24dB以下，從Portl到電子注 輸出端P〇rt2的電子注通道傳輸系數(shù)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(nèi)擁有較好的傳輸參數(shù)。
[0035] 把此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于帶狀束行波管上，實現(xiàn)了超寬頻帶大功率傳輸?shù)牧己眯阅?，并?結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)明設(shè)計的新型帶狀束行波管輸入輸 出結(jié)構(gòu)不但提供了更寬的電子注通道提高電子的流通率，并能在超寬的帶寬上實現(xiàn)良好的 電磁波傳輸，配合新型的可調(diào)聚焦裝置，可令帶狀束行波管模擬仿真中實現(xiàn)99. 5%以上的 電子流通率。
【權(quán)利要求】
1. 新型帶狀電子束行波管的輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)、圓弧形 彎波導(dǎo)、單斜劈介質(zhì)匹配負載、直線型漸變段，其中雙矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)包括上、下波導(dǎo)；上 波導(dǎo)為電磁波通道，電磁波通道兩端分別為電磁波輸出端口、匹配負載端口；下波導(dǎo)為電子 注通道，電子注通道兩端分別為電子注輸出端口、輸入端口；所述波通道與電子注通道之間 設(shè)置矩形耦合縫，所述圓弧形彎波導(dǎo)連接于電磁波輸出端口，所述單斜劈介質(zhì)匹配負載設(shè) 置于匹配負載端口，所述直線型漸變段連接于電子注輸出端口。
2. 按權(quán)利要求1所述帶狀電子束行波管的輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述矩形耦合 縫用于實現(xiàn)注波分離，其要求工作頻帶內(nèi)電磁波的S參數(shù)如下：輸入端口的反射系數(shù)小 于-20dB ;輸入端口與電子注輸出端口隔離度小于-20dB ;電磁波與電子注輸入端口與匹配 負載端口的隔離度小于_20dB ;輸入端口到電磁波輸出端口之間的插入損耗不超過0. 2dB。
3. 按權(quán)利要求1所述帶狀電子束行波管的輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓弧形彎波導(dǎo) 用于引導(dǎo)電磁波傳輸，實現(xiàn)能量的橫向輸出。
4. 按權(quán)利要求1所述帶狀電子束行波管的輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述直線型漸變段 為漸變矩形波導(dǎo)，用于避免電子注因發(fā)散而擊打波導(dǎo)壁，提高了電子注的流通率。
5. 按權(quán)利要求1所述帶狀電子束行波管的輸出結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述單斜劈介質(zhì)匹 配負載用于吸收電磁波，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(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】王建勛, 鄭源, 羅勇 申請人:電子科技大學(xué)