專(zhuān)利名稱(chēng)：一種回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及高功率微波器件。
背景技術(shù)：
回旋行波管在毫米波段具有的高功率和寬帶寬能力，使其成為高功 率微波源中倍受關(guān)注的一種相干輻射源，在雷達(dá)和通信系統(tǒng)中己經(jīng)得到 廣泛的應(yīng)用。回旋行波管放大器的工作頻帶靠近其主互作用回路的截止 頻率，其耦合輸入系統(tǒng)主要作用是將低功率的驅(qū)動(dòng)微波高效、穩(wěn)定地輸
入回旋行波管放大器的主互作用回路。
對(duì)于工作于不同模式的回旋行波管，其耦合輸入結(jié)構(gòu)各不相同。盡 管現(xiàn)在許多國(guó)家都已經(jīng)成功地開(kāi)展回旋行波管放大器的試驗(yàn)，但是通常 情況下其輸入系統(tǒng)大多數(shù)都是采用單頻點(diǎn)匹配方法設(shè)計(jì)一一微波輸入 系統(tǒng)的傳輸性能(駐波比)在工作頻帶的中心只有一個(gè)最小值，然而當(dāng) 工作頻率稍微偏離中心頻點(diǎn)，其駐波比急劇上升，整個(gè)輸入系統(tǒng)的駐波
比呈現(xiàn)"V"字形狀。這樣的輸入系統(tǒng)駐波比低于1.5的相對(duì)帶寬一般 在5%左右。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決耦合輸入結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的耦合輸入帶寬 窄，且工作頻帶內(nèi)駐波比較高的問(wèn)題，為此提供一種回旋行波管放大器 耦合輸入結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。
為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的第一方面，提供一種回旋行波管放
大器耦合輸入結(jié)構(gòu)，包括
一真空隔離窗具有矩形波導(dǎo)和真空隔離窗片； 一第一波導(dǎo)具有圓波導(dǎo)和垂直加載的矩形波導(dǎo)；
一匹配波導(dǎo)具有多個(gè)匹配圓波導(dǎo)；
在真空隔離窗的一端口與第一波導(dǎo)的一端口由第一法蘭連接，第一 波導(dǎo)的一端口與匹配波導(dǎo)的一端口由第二法蘭連接。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述真空隔離窗有第一矩形波導(dǎo)、第二矩形 波導(dǎo)和真空隔離窗片組成，其中第一矩形波導(dǎo)的一端口與第二矩形波 導(dǎo)的一端口連接；真空隔離窗片位于第一矩形波導(dǎo)與第二矩形波導(dǎo)的連 接處。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述真空隔離窗片由一銅板與一介質(zhì)圓片采 用釬焊技術(shù)封接而成，其中銅板與介質(zhì)圓片具有相同的厚度，銅板中 間的圓孔與介質(zhì)圓片具有相同的尺寸大小，介質(zhì)圓片采用藍(lán)寶石材料。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述第一波導(dǎo)的第三矩形波導(dǎo)的矩形截面與 第一圓波導(dǎo)的圓截面相互垂直放置，第一圓波導(dǎo)的圓截面與第N圓波導(dǎo) 的圓截面相互平行放置。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述匹配波導(dǎo)的第一匹配圓波導(dǎo)的圓截面與 第N匹配圓波導(dǎo)的圓截面相互平行放置。
為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本發(fā)明的第二方面，提供一種回旋行波放大 器耦合輸入結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其步驟為
步驟1:根據(jù)工作頻帶的范圍，利用真空隔離窗的諧振特性，將耦 合輸入結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行匹配；
步驟2:調(diào)整真空隔離窗片的厚度和介質(zhì)圓片的尺寸大小，使真空 隔離窗的諧振頻率落在工作頻帶內(nèi)，將真空隔離窗的諧振頻率設(shè)定為第
一參考頻率；
步驟3:調(diào)整第一波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)的傳輸特性，使得第一波導(dǎo)與匹 配波導(dǎo)在第一參考頻率上的駐波比大小相同或者相近；且調(diào)整過(guò)程中保 證第一波導(dǎo)的第一圓波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)的第N匹配圓波導(dǎo)的半徑相等。
步驟4:將步驟3所得到第一波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)在第一參考頻率上進(jìn) 行匹配；即是將第一圓波導(dǎo)與第N匹配波導(dǎo)通過(guò)第二法蘭級(jí)聯(lián)起來(lái)，由 此構(gòu)成前級(jí)組合波導(dǎo)；在級(jí)聯(lián)過(guò)程中需要精確地調(diào)整第N匹配圓波導(dǎo)的 長(zhǎng)度，使得第一波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)在第一參考頻率上匹配，即前級(jí)組合波 導(dǎo)在第一參考頻率上得到的駐波比最??；
步驟5:對(duì)比真空隔離窗與前級(jí)組合波導(dǎo)的傳輸特性，找到一個(gè)新
的頻率，在該頻率上真空隔離窗與前級(jí)組合波導(dǎo)具有相同的駐波比，將 該頻率設(shè)定為第二參考頻率；
步驟6:將真空隔離窗的第二矩形波導(dǎo)與前級(jí)組合波導(dǎo)的第三矩形 波導(dǎo)通過(guò)第一法蘭連接起來(lái)，得到回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，第二矩形波導(dǎo)與第三矩形波導(dǎo)具有相同的橫 截面尺寸，在級(jí)聯(lián)的過(guò)程中精確地調(diào)整第三矩形波導(dǎo)或者第二矩形波導(dǎo) 的長(zhǎng)度，使得真空隔離窗與前級(jí)組合波導(dǎo)在第二參考頻率上進(jìn)行匹配， 得到耦合輸入結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的傳輸性能。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述該耦合輸入結(jié)構(gòu)在第一參考頻率和第二 參考頻率上都有駐波比極小值點(diǎn)，在兩個(gè)參考頻率之間有很寬的低駐波
比頻帶，使得工作頻帶的相對(duì)帶寬達(dá)到10%以上。
本發(fā)明的積極效果是提出的回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)的方 法和利用該方法設(shè)計(jì)的耦合輸入結(jié)構(gòu)。該耦合輸入結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案的耦合輸入帶寬窄，且工作頻帶內(nèi)駐波比較高的問(wèn)題。而且這種方 法設(shè)計(jì)的耦合輸入結(jié)構(gòu)在靠近回旋行波管放大器主互作用回路的截止 頻率時(shí)，也具有很好的傳輸性能，在工作頻帶內(nèi)具有兩個(gè)駐波極小值點(diǎn)。
這種輸入結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法是"雙頻點(diǎn)組合匹配"。該設(shè)計(jì)方法具體 實(shí)施過(guò)程是真空隔離窗的諧振頻率設(shè)定為第一參考頻率；第一波導(dǎo)與
匹配波導(dǎo)在第一參考頻率進(jìn)行匹配，由此構(gòu)成前級(jí)組合波導(dǎo)；真空隔離
窗與前級(jí)組合波導(dǎo)在第二頻點(diǎn)匹配。由此在第一參考頻點(diǎn)和第二參考頻 點(diǎn)之間構(gòu)成一個(gè)很寬的低駐波比工作頻帶。
本發(fā)明提出的回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)，它主要由真空隔離 窗、第一波導(dǎo)、匹配波導(dǎo)等部件級(jí)聯(lián)而成，采用"雙頻點(diǎn)組合匹配"設(shè)
計(jì)的輸入結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)加工符合當(dāng)前的工藝要求，較好地滿(mǎn)足回 旋行波管放大器的整管組裝要求，在很寬的工作頻帶范圍內(nèi)具有很低的 駐波比，且有兩個(gè)駐波比極小值點(diǎn)，在靠近回旋行波管放大器主互作用 回路的截止頻率時(shí)，也具有很好的傳輸性能。
該耦合輸入結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是傳輸性能上，耦合輸入結(jié)構(gòu)(圖5A)
在靠近回旋行波管主互作用回路的截止頻率(即圓波導(dǎo)7的截止頻率) 的工作頻帶的相對(duì)帶寬達(dá)10%以上，且工作頻帶范圍內(nèi)具有兩個(gè)駐波極
小值點(diǎn)；結(jié)構(gòu)上，真空隔離窗起到了將外部的微波系統(tǒng)與回旋行波管的 主互作用回路之間的真空隔離的作用；工藝上，滿(mǎn)足當(dāng)前的加工工藝的 要求。


圖1A是本發(fā)明真空隔離窗結(jié)構(gòu)圖； 圖1B是圖1A所對(duì)應(yīng)的駐波比； 圖2A是本發(fā)明第一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖； 圖2B是圖2A所對(duì)應(yīng)的駐波比； 圖3A是本發(fā)明匹配波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖； 圖3B是圖3A所對(duì)應(yīng)的駐波比；
圖4A是本發(fā)明第一波導(dǎo)和匹配波導(dǎo)構(gòu)成的前級(jí)組合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖4B是圖4A所對(duì)應(yīng)的駐波比；
圖5A是本發(fā)明整個(gè)耦合輸入結(jié)構(gòu)圖5B是圖5A所對(duì)應(yīng)的駐波比；
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí) 施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
為了幫助更好地理解本發(fā)明，下面將參考附圖舉例描述本發(fā)明的具 體實(shí)施方案。附圖分為兩類(lèi)結(jié)構(gòu)圖和駐波比圖。圖1A、圖2A、圖3A、 圖4A和圖5A為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)圖主要用于描述該結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)， 結(jié)構(gòu)圖通常由(a)和(b)兩部分組成，其中(a)是對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的剖面圖， (b)是對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的右視圖或者俯視圖。圖1B、圖2B、圖3B、圖4B和 圖5B為對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的駐波比圖。駐波比圖是用來(lái)描述對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的傳輸性 能，駐波比越大說(shuō)明微波通過(guò)該結(jié)構(gòu)時(shí)，反射也就越大，反之，則越小。
本發(fā)明提出的"雙頻點(diǎn)組合匹配"設(shè)計(jì)方法和基于該方法設(shè)計(jì)的耦 合輸入系統(tǒng)巧妙地利用真空隔離窗在的諧振特性。合理地設(shè)計(jì)真空隔離 窗，使其諧振頻率落在工作頻帶中某個(gè)特定頻率點(diǎn)上，則在工作頻帶內(nèi)，
真空隔離窗就呈現(xiàn)處"V"字形駐波比的傳輸特性；基于耦合輸入系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)，恰當(dāng)?shù)貥?gòu)造一個(gè)與真空隔離窗具有相似的傳輸特性的前級(jí)組合 波導(dǎo)；然后將真空隔離窗與前級(jí)組合波導(dǎo)在另外一個(gè)特定的頻率點(diǎn)上匹 配，由此得到的耦合輸入系統(tǒng)在這兩個(gè)特定的頻率點(diǎn)之間形成一個(gè)形狀 類(lèi)似于"W"低駐波比的通頻帶。這樣設(shè)計(jì)的回旋管行波管耦合輸入結(jié) 構(gòu)工作頻帶寬，而且可以直接地利用現(xiàn)有的成熟工藝制作，這對(duì)回旋行 波管的設(shè)計(jì)和其他微波傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有很大的實(shí)用價(jià)值。
本發(fā)明的目的是提供一種回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 方法，基于該方法設(shè)計(jì)的工作主模為T(mén)E11模的回旋行波管放大器的耦
合輸入結(jié)構(gòu)，其駐波比低于1.5的相對(duì)帶寬可以達(dá)到10%以上，該帶寬 是常規(guī)設(shè)計(jì)方法的2倍以上，利用該方法進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，輸入結(jié)構(gòu)的
駐波比還可以進(jìn)一步降低。
TE11模回旋行波管放大器的工作特性對(duì)其耦合輸入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提 出以下兩點(diǎn)限制其一，結(jié)構(gòu)和功能上，輸入系統(tǒng)必須具有真空隔離窗，
使得主互作用回路和外界進(jìn)行真空隔離；輸入系統(tǒng)需要將矩形波導(dǎo)的 TE10模的微波轉(zhuǎn)換成為圓波導(dǎo)的TE11模傳輸。其二，傳輸性能上，耦
合輸入系統(tǒng)必須在整個(gè)工作頻帶內(nèi)具有低駐波比和高的模式穩(wěn)定性，以 保證輸入能量高效穩(wěn)定地饋入主互作用回路。通常情況下，耦合輸入結(jié) 構(gòu)在工作頻帶內(nèi)的低頻段很靠近回旋行波管主互作用回路的截止頻率， 因此很難同時(shí)滿(mǎn)足以上兩點(diǎn)要求。
圖5A示出了本發(fā)明的實(shí)施方案。圖5A中(a)部分是耦合輸入結(jié) 構(gòu)的剖面圖，(b)部分是耦合輸入結(jié)構(gòu)的俯視圖。耦合輸入結(jié)構(gòu)主要由 三部分組成
第一部分是真空隔離窗(如圖1A)，它主要由第一矩形波導(dǎo)l，第 二矩形波導(dǎo)2和真空隔離窗片3，其中第一矩形波導(dǎo)1的一端口與第 二矩形波導(dǎo)2的一端口連接；真空隔離窗片3位于第一矩形波導(dǎo)1與第 二矩形波導(dǎo)2的連接處；真空隔離窗片3由銅板3AW與介質(zhì)圓片3BW (如圖1A)采用釬焊技術(shù)封接而成；第一矩形波導(dǎo)1，第二矩形波導(dǎo)2 和真空隔離窗片3焊接而成。
第二部分是第一波導(dǎo)(如圖2A)，它主要由第三矩形波導(dǎo)4，第一圓波導(dǎo)6，第N圓波導(dǎo)5，實(shí)施例中第N圓波導(dǎo)5數(shù)量N采用2，以如 圖2A所示的方式焊接而成，因此第N圓波導(dǎo)5又叫第二圓波導(dǎo)。所述 第一波導(dǎo)的第三矩形波導(dǎo)4的矩形截面與第一圓波導(dǎo)6的圓截面相互垂 直放置，第一圓波導(dǎo)6的圓截面與第二圓波導(dǎo)5的圓截面相互平行放置。 第三部分是匹配波導(dǎo)(如圖3A)，它主要由第一匹配圓波導(dǎo)7，第 N匹配圓波導(dǎo)8以圖示意的方式焊接而成。實(shí)施例中第N匹配圓波導(dǎo)數(shù) 量N取2，所以第N匹配圓波導(dǎo)8又叫第二匹配圓波導(dǎo)8。所述匹配波 導(dǎo)的第一匹配圓波導(dǎo)7的圓截面與第二匹配圓波導(dǎo)8的圓截面相互平行 放置。
這三部分主要由第一法蘭(由法蘭1B和法蘭2A連接構(gòu)成)、第二 法蘭(由法蘭2B和法蘭3 B連接構(gòu)成)以圖5A所示意的方式聯(lián)接而成。 此外圖示中的法蘭1A、法蘭2C和法蘭3A是用于連接外部系統(tǒng)的，其 中法蘭1A用于連接微波源的輸入波導(dǎo)，法蘭2C用于連接電子注通道波 導(dǎo)，法蘭3C用于連接回旋行波管的主互作用回路波導(dǎo)。
從圖5A可見(jiàn)該輸入系統(tǒng)具有3個(gè)端口，分別是第一矩形波導(dǎo)1的 端口A，第一匹配圓波導(dǎo)2的端口 B，第二圓波導(dǎo)5的端口C。微波以 矩形波導(dǎo)的最低次模式TE10模從端口 A輸入，依次經(jīng)過(guò)真空隔離窗的 第一矩形波導(dǎo)l，真空隔離窗片3，第二矩形波導(dǎo)2;然后進(jìn)入第一波導(dǎo) 的第三矩形波導(dǎo)4，第一圓波導(dǎo)6;再進(jìn)入匹配波導(dǎo)的第二匹配圓波導(dǎo)8， 然后從第一匹配圓波導(dǎo)7的端口 B以回旋行波管的工作主模TEll模輸 出，以此饋入回旋行波管放大器的主互作用回路。第二圓波導(dǎo)5半徑較 小，其截止頻率比輸入系統(tǒng)的工作頻帶高，因此雖然第一圓波導(dǎo)6和第 二圓波導(dǎo)5連通，但是在工作頻帶內(nèi)，微波不會(huì)從第二圓波導(dǎo)5的端口 C傳輸出去，由此起到了將耦合輸入系統(tǒng)和回旋行波管放大器的電子注 入通道隔離的作用。整個(gè)系統(tǒng)的傳輸性能如圖5B所示。從圖5B可見(jiàn)， 該耦合輸入系統(tǒng)在15.5GHz——17.25GHz的工作頻帶范圍內(nèi)駐波比 (VSWR)小于1.4，其相對(duì)帶寬(頻帶寬度與中心頻率的比值)約大于 10%。由于該耦合輸入系統(tǒng)采用"雙頻點(diǎn)組合匹配"設(shè)計(jì)，在工作頻帶 范圍內(nèi)有兩個(gè)駐波比極小值點(diǎn)，分別是15.7GHz和17GHz。
接下來(lái)將結(jié)合附圖具體描述本發(fā)明的實(shí)施方案和相應(yīng)的"雙頻點(diǎn)組
合匹配"設(shè)計(jì)方法。
"雙頻點(diǎn)組合匹配"的步驟1，根據(jù)工作頻帶的范圍，利用真空隔 離窗的諧振特性，將耦合輸入結(jié)構(gòu)在兩個(gè)參考頻點(diǎn)上進(jìn)行匹配，這兩個(gè) 參考頻點(diǎn)確定耦合輸入結(jié)構(gòu)在工作頻帶內(nèi)的性能。通常情況下，在工作 頻帶中第一參考頻率靠近低頻端，第二參考頻率靠近高頻端。這一步本 質(zhì)上就是在工作頻帶內(nèi)，對(duì)耦合輸入結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率規(guī)劃。本發(fā)明的實(shí)施
方式初步將第一參考頻率設(shè)定為15.7GHz，第二參考頻率設(shè)定為17GHz, 而具體設(shè)計(jì)過(guò)程中第一參考頻率和第二參考頻的具體取值，視真空隔離 窗(圖1A)和前級(jí)組合波導(dǎo)(圖4A)的傳輸特性而確定。
參考圖1A，示出了真空隔離窗的結(jié)構(gòu)圖，圖1A中(a)部分是真 空隔離窗的剖面圖，(b)部分是真空隔離窗的俯視圖。這個(gè)圖可以看到， 該真空隔離窗由第一矩形波導(dǎo)1與第二矩形波導(dǎo)2中間加載真空隔離窗 片3。其中，真空隔離窗片3由一銅板3AW和介質(zhì)圓片3BW采用釬焊 技術(shù)封接而成。結(jié)構(gòu)1A中還有法蘭1A和法蘭1B，這兩個(gè)法蘭主 要是用于聯(lián)接其他部件用的。
該真空隔離窗的制作過(guò)程是首先在矩形波導(dǎo)1與矩形波導(dǎo)2之間 加載一個(gè)中間有圓形漏孔的矩形銅板3A，將這三個(gè)部件焊接在一起。 中間加載的這個(gè)矩形銅板3A與介質(zhì)圓片3B具有相同的厚度，且銅板上 漏孔的大小與介質(zhì)圓片3B的大小一致，介質(zhì)圓片3B采用藍(lán)寶石材料， 采用釬焊技術(shù)直接將介質(zhì)圓片3B封接到銅板3A的圓形漏孔上。微波從 第一矩形波導(dǎo)1輸入，從第二矩形波導(dǎo)2輸出。當(dāng)選用特定厚度和大小 的介質(zhì)圓片時(shí)，該真空隔離窗的諧振頻率會(huì)落在工作頻帶內(nèi)，可以得到 如圖1B所示傳輸特性。從圖1B可以看到該真空隔離窗在15.7GHz處 駐波比最小，表明微波在15.7GHz頻點(diǎn)上全部通過(guò)真空隔離窗，因此 15.7GHz是該真空隔離窗的諧振頻率。
"雙頻點(diǎn)組合匹配"的步驟2，調(diào)整真空隔離窗(圖1A)中真空隔 離窗片(由銅板3AW和介質(zhì)圓片3BW組成)的厚度和介質(zhì)圓片3B的 大小，使得真空隔離窗的諧振頻率落在工作頻帶內(nèi)，該諧振頻率應(yīng)該在 工作頻帶內(nèi)靠近低頻端的位置。設(shè)定真空隔離窗的諧振頻率為第一參考 頻率。如圖1B，真空隔離窗在工作頻帶內(nèi)15.7GHz處有個(gè)駐波比極小
值點(diǎn)，這表明微波通過(guò)真空隔離窗時(shí)在15.7GHz處沒(méi)有反射，15.7GHz 是本實(shí)施例的諧振頻率。因此在本發(fā)明實(shí)施例的耦合輸入結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò) 程中設(shè)定第一參考頻率為15.7GHz。
"雙頻點(diǎn)組合匹配"的步驟3，調(diào)整第一波導(dǎo)(圖2A)與匹配波導(dǎo) (圖3A)的傳輸特性，使得第一波導(dǎo)(圖2A)與匹配波導(dǎo)(圖3A) 在第一參考頻率上的駐波比大小相同或者相近；且調(diào)整過(guò)程中保證第一 波導(dǎo)的第一圓波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)的第N匹配圓波導(dǎo)的半徑相等。
參考圖2A，示出了第一波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖，圖2A中(a)部分是第一 波導(dǎo)的剖面圖，(b)部分是第一波導(dǎo)的右視圖。第一波導(dǎo)由第三矩形波 導(dǎo)4，第一圓波導(dǎo)6和第二圓波導(dǎo)5以圖2A的方式焊接在一起的。圖 2A中示出的半徑較小的第二圓波導(dǎo)5是用于聯(lián)接回旋行波管的電子注 入通道。此外法蘭2A，法蘭2B和法蘭2C是用于連接其他部件的。在 后續(xù)的設(shè)計(jì)中，我們需要將第二矩形波導(dǎo)2與第三矩形波導(dǎo)4利用法蘭 連接起來(lái)，且連接過(guò)程中不能引入新的反射，這就需要保證第二矩形波 導(dǎo)2與第三矩形波導(dǎo)4具有相同的橫截面尺寸。
在圖2A的這部分結(jié)構(gòu)中，第二圓波導(dǎo)5的半徑較小，其截止頻率 高于工作頻帶，因此微波不會(huì)從第二圓波導(dǎo)5傳輸出去。微波從第三矩 形波導(dǎo)4輸入，從第一圓波導(dǎo)6輸出，其傳輸特性如圖2B所示。分析 圖2B，這部分結(jié)構(gòu)在15.5GHz——18GHz的頻帶范圍內(nèi)駐波比(VSWR) 低于2.0，且在17GHz附近達(dá)到最小值1.65。確定圖2A結(jié)構(gòu)在第一參 考頻率的駐波比。圖2B表明，圖2A結(jié)構(gòu)在第一參考頻率15.7GHz的 駐波比(VSWR)約為1.9。
參考圖3A，示出了匹配波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖，圖3A中的(a)部分是匹 配波導(dǎo)的剖面圖，(b)部分是匹配波導(dǎo)的右視圖。從圖3A可以看到這 部分結(jié)構(gòu)由兩段不同半徑的圓波導(dǎo)，第一匹配圓波導(dǎo)7和第二匹配圓波 導(dǎo)8，焊接而成。其中第一匹配圓波導(dǎo)7應(yīng)該與回旋行波管的主互作用 回路圓波導(dǎo)具有相同的半徑，因此第一匹配圓波導(dǎo)7的截止頻率和回旋 行波管放大其的截止頻率相等。此外法蘭3A和法蘭3B是用于聯(lián)接其他 部件的。這部分結(jié)構(gòu)中的法蘭3B是用于連接圖2A中的法蘭2B，因此 圖3A中的第二匹配圓波導(dǎo)8與圖2A的第一圓波導(dǎo)6應(yīng)該具有相同的半
徑，以防止連接之后由于結(jié)構(gòu)不均勻性引入新的反射。
圖3A所示的結(jié)構(gòu)中，微波從第二匹配圓波導(dǎo)8輸入，從第一匹配
圓波導(dǎo)7輸出，其駐波比(VSWR)如圖3B所示。從圖3B可以看到在 15.5GHz——18GHz的頻帶范圍內(nèi)，低頻端駐波比(VSWR)較高，高 頻端的駐波比(VSWR)較低，表明在低頻端反射較高，高頻端反射較 低。
根據(jù)"雙頻點(diǎn)組合匹配"的步驟3還要求確定匹配波導(dǎo)圖3A在第 一參考頻點(diǎn)與第一波導(dǎo)在第一參考頻點(diǎn)具有相同或者相近的駐波比 (VSWR)。從圖3B可見(jiàn)，圖3A的結(jié)構(gòu)在第一參考頻點(diǎn)15.7GHz的駐 波比約1.8，與圖2A結(jié)構(gòu)在第一參考頻點(diǎn)的駐波比約1.9相近。滿(mǎn)足"雙 頻點(diǎn)組合匹配"的要求。若圖3A與圖2A所示結(jié)構(gòu)在第一參考頻率的駐 波比相差很大，可以通過(guò)以下幾種方法調(diào)節(jié)可以增加第一波導(dǎo)中圓波 導(dǎo)的級(jí)數(shù)，如第一圓波導(dǎo)、第二圓波導(dǎo)， 一直到第N圓波導(dǎo)，但是第N 圓波導(dǎo)一定是連接電子注通道的半徑較小的圓波導(dǎo)；可以通過(guò)調(diào)節(jié)第一 圓波導(dǎo)6和第二匹配圓波導(dǎo)8的大??；或在匹配波導(dǎo)中多加載幾個(gè)匹配 圓波導(dǎo)，如第三匹配圓波導(dǎo)、第四匹配圓波導(dǎo)， 一直到第N匹配圓波導(dǎo)， 但是調(diào)節(jié)過(guò)程中必須保證第N匹配圓波導(dǎo)與第一圓波導(dǎo)6的半徑一致。 直到圖3A與圖2A所示結(jié)構(gòu)在第一參考頻率的駐波比相同或者相近才能
進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)工作。
"雙頻點(diǎn)組合匹配"的步驟4，將步驟3所得到第一波導(dǎo)(圖2A) 與匹配波導(dǎo)(圖3A)在第一參考頻率上進(jìn)行匹配；即是將第一圓波導(dǎo) 6與第二匹配圓波導(dǎo)8通過(guò)法蘭2 B與法蘭3 B級(jí)聯(lián)起來(lái)，由此構(gòu)成前級(jí) 組合波導(dǎo)；法蘭2B與法蘭3B構(gòu)成第二法蘭；在級(jí)聯(lián)過(guò)程中需要精確 地調(diào)整第二匹配圓波導(dǎo)8的長(zhǎng)度，使得第一波導(dǎo)圖2A)與匹配波導(dǎo)(圖 3A)在第一參考頻率上匹配，即前級(jí)組合波導(dǎo)在第一參考頻率上得到 的駐波比最小；本耦合輸入結(jié)構(gòu)的第一波導(dǎo)(圖2A)與匹配波導(dǎo)(如 圖3A)這兩部分微波傳輸結(jié)構(gòu)都滿(mǎn)足第三步的要求，對(duì)比圖2B和圖 3B可以看到，第一參考頻點(diǎn)15.7GHz附近，微波通過(guò)圖2A與圖3A的 所示結(jié)構(gòu)的駐波比相近。且由于第一圓波導(dǎo)6與第二匹配圓波導(dǎo)8的半 徑一致，二者通過(guò)法蘭級(jí)聯(lián)的時(shí)候不會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不統(tǒng)一引入新的反射，
因此將微波通過(guò)圖2A與圖3 A的所示結(jié)構(gòu)通過(guò)法蘭2B和法蘭3B級(jí)聯(lián) 起來(lái)，得到前級(jí)組合波導(dǎo)，其結(jié)構(gòu)圖如圖4A所示。微波從前級(jí)組合波 導(dǎo)的第三矩形波導(dǎo)4輸入，第一匹配圓波導(dǎo)7輸出，其駐波比如圖4B 所示。從圖4B可以看到在第一參考頻點(diǎn)15.7GHz處有個(gè)駐波極小值點(diǎn)， 說(shuō)明匹配波導(dǎo)與第一波導(dǎo)在第一參考頻點(diǎn)匹配良好。
若這兩部分結(jié)構(gòu)(圖2A和圖3A)直接級(jí)聯(lián)起來(lái)匹配性能不好， 不能在第一參考頻率15.7GHz處出現(xiàn)駐波極小值點(diǎn)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)第二 匹配圓波導(dǎo)8的長(zhǎng)度，以改變微波在這兩部分結(jié)構(gòu)(圖2A和圖3A) 間傳輸?shù)南嘁?，直到匹配為止?br> "雙頻點(diǎn)組合匹配"的步驟5，對(duì)比真空隔離窗(圖1A)與前級(jí) 組合波導(dǎo)(圖4A)的傳輸特性，找到一個(gè)新的頻率，在該頻率上真空 隔離窗(圖1A)與前級(jí)組合波導(dǎo)(圖4A)具有相同的駐波比，將該 頻率設(shè)定為第二參考頻率。
根據(jù)"雙頻點(diǎn)組合匹配"的步驟5，要求真空隔離窗(圖1A)與前級(jí) 組合波導(dǎo)(圖4A)的傳輸性能相同或者相近在第一參考頻點(diǎn)都有最小 值，在整個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)的駐波比相同或者相近，而且在工作頻帶范 圍內(nèi)，除去第一參考頻率，能夠找到第二個(gè)參考頻率，在第二參考頻率 上真空隔離窗(圖1A)與前級(jí)組合波導(dǎo)(圖4A)具有相同或者相近的傳輸 性能(駐波比相同或者相近)。對(duì)比圖1B和圖4B可以看到，真空隔離 窗(圖1A)與前級(jí)組合波導(dǎo)(圖4A)的駐波比曲線很相似在第一參 考頻點(diǎn)15.7GHz處有個(gè)駐波極小值點(diǎn)；在17GHz處二者的駐波比近似 相等。因此設(shè)定第二參考頻點(diǎn)為17GHz。
將圖1 A與圖4A級(jí)聯(lián)起來(lái)，可以構(gòu)成整個(gè)輸入系統(tǒng)，如圖5A所示， 在圖5A中，(a)部分是整個(gè)耦合輸入結(jié)構(gòu)的剖面圖，(b)部分是整個(gè) 耦合輸入結(jié)構(gòu)的俯視圖。微波從端口 A輸入，從端口 B輸出。傳輸特性 如圖5B所示.從圖5B可見(jiàn)，該耦合輸入系統(tǒng)在15.5GHz——17.25GHz 的工作頻帶范圍內(nèi)駐波比(VSWR)小于1.4，其相對(duì)帶寬(頻帶寬度與 中心頻率的比值)約大于10%.分別在第一參考頻率15.7GHz和第 二參考頻率17G H z有兩個(gè)駐波比極小值點(diǎn)。
"雙頻點(diǎn)組合匹配"的歩驟6，將真空隔離窗(圖1A)的第二矩
形波導(dǎo)2與前級(jí)組合波導(dǎo)(圖4A)的第三矩形波導(dǎo)4通過(guò)法蘭1B和 法蘭2A級(jí)聯(lián)起來(lái)，法蘭1B和法蘭2A構(gòu)成第一法蘭，得到回旋行波管 放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)，這也就是整體匹配。將真空隔離窗(圖1A)與前級(jí) 組合波導(dǎo)(圖4A)這兩部分微波傳輸結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)起來(lái)，在第二參考頻率進(jìn)行 匹配。由于第二矩形波導(dǎo)2與第三矩形波導(dǎo)4具有相同的橫截面尺寸， 所以認(rèn)為級(jí)聯(lián)過(guò)程中不會(huì)引入新的反射。若直接級(jí)聯(lián)所得到的匹配性能 不好，通過(guò)調(diào)節(jié)第二矩形波導(dǎo)2或者第三矩形波導(dǎo)4的長(zhǎng)度，以精確地 調(diào)整微波在真空隔離窗(圖1 A)與前級(jí)組合波導(dǎo)(圖4A)之間的傳輸相移。 以達(dá)到匹配，得到類(lèi)似于圖5B所示的傳輸性能。
以上設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟可以應(yīng)用到相類(lèi)似的其他微波傳輸系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)中去。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并 不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理 解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā) 明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一真空隔離窗具有矩形波導(dǎo)和真空隔離窗片；一第一波導(dǎo)具有圓波導(dǎo)和垂直加載的矩形波導(dǎo)；一匹配波導(dǎo)具有多個(gè)匹配圓波導(dǎo)；在真空隔離窗的一端口與第一波導(dǎo)的一端口由第一法蘭連接，第一波導(dǎo)的一端口與匹配波導(dǎo)的一端口由第二法蘭連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述真空隔離窗有第一矩形波導(dǎo)、第二矩形波導(dǎo)和真空隔離窗片 組成，其中第一矩形波導(dǎo)的一端口與第二矩形波導(dǎo)的一端口連接；真 空隔離窗片位于第一矩形波導(dǎo)與第二矩形波導(dǎo)的連接處。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述真空隔離窗片由一銅板與一介質(zhì)圓片采用釬焊技術(shù)封接而 成，其中銅板與介質(zhì)圓片具有相同的厚度，銅板中間的圓孔與介質(zhì)圓 片具有相同的尺寸大小，介質(zhì)圓片采用藍(lán)寶石材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述第一波導(dǎo)的第三矩形波導(dǎo)的矩形截面與第一圓波導(dǎo)的圓截面 相互垂直放置，第一圓波導(dǎo)的圓截面與第N圓波導(dǎo)的圓截面相互平行放 置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)，其特征 在于，所述匹配波導(dǎo)的第一匹配圓波導(dǎo)的圓截面與第N匹配圓波導(dǎo)的圓 截面相互平行放置。
6、 一種回旋行波放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于 步驟1:根據(jù)工作頻帶的范圍，利用真空隔離窗的諧振特性，將耦合輸入結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行匹配；步驟2:調(diào)整真空隔離窗片的厚度和介質(zhì)圓片的尺寸大小，使真空隔離窗的諧振頻率落在工作頻帶內(nèi)，將真空隔離窗的諧振頻率設(shè)定為第 一參考頻率；步驟3:調(diào)整第一波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)的傳輸特性，使得第一波導(dǎo)與匹 配波導(dǎo)在第一參考頻率上的駐波比大小相同或者相近；且調(diào)整過(guò)程中保 證第一波導(dǎo)的第一圓波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)的第N匹配圓波導(dǎo)的半徑相等；步驟4:將步驟3所得到第一波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)在第一參考頻率上進(jìn) 行匹配；即是將第一圓波導(dǎo)與第N匹配波導(dǎo)通過(guò)第二法蘭級(jí)聯(lián)起來(lái)，由 此構(gòu)成前級(jí)組合波導(dǎo)；在級(jí)聯(lián)過(guò)程中需要精確地調(diào)整第N匹配圓波導(dǎo)的 長(zhǎng)度，使得第一波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)在第一參考頻率上匹配，即前級(jí)組合波 導(dǎo)在第一參考頻率上得到的駐波比最??；步驟5:對(duì)比真空隔離窗與前級(jí)組合波導(dǎo)的傳輸特性，找到一個(gè)新 的頻率，在該頻率上真空隔離窗與前級(jí)組合波導(dǎo)具有相同的駐波比，將 該頻率設(shè)定為第二參考頻率；步驟6:將真空隔離窗的第二矩形波導(dǎo)與前級(jí)組合波導(dǎo)的第三矩形 波導(dǎo)通過(guò)第一法蘭連接起來(lái)，得到回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述回旋行波放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法， 其特征在于第二矩形波導(dǎo)與第三矩形波導(dǎo)具有相同的橫截面尺寸，在級(jí)聯(lián)的過(guò)程中精確地調(diào)整第三矩形波導(dǎo)或者第二矩形波導(dǎo)的長(zhǎng)度，使得 真空隔離窗與前級(jí)組合波導(dǎo)在第二參考頻率上進(jìn)行匹配，得到耦合輸入 結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的傳輸性能。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述回旋行波放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法， 其特征在于該耦合輸入結(jié)構(gòu)在第一參考頻點(diǎn)和第二參考頻點(diǎn)上都有駐波比極小值點(diǎn)，在兩個(gè)參考頻率之間有很寬的低駐波比頻帶，使得工作頻帶的相對(duì)帶寬達(dá)到10%以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及回旋行波管放大器耦合輸入結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)包括真空隔離窗、第一波導(dǎo)和匹配波導(dǎo)，這三部分由法蘭聯(lián)接起來(lái)。方法包括根據(jù)工作頻帶的范圍，利用真空隔離窗的諧振特性，將耦合輸入結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行匹配；調(diào)整真空隔離窗，使其諧振頻率落在工作頻帶內(nèi)，設(shè)定其諧振頻率為第一參考頻率；構(gòu)造一前級(jí)組合波導(dǎo)，它由第一波導(dǎo)與匹配波導(dǎo)在第一參考頻率匹配級(jí)聯(lián)而成；然后再將前級(jí)組合波導(dǎo)與真空隔離窗匹配級(jí)聯(lián)起來(lái)。由此得到的回旋行波管耦合輸入結(jié)構(gòu)工作頻帶寬，在工作頻帶內(nèi)具有兩個(gè)駐波比極小值點(diǎn)，當(dāng)工作頻率靠近回旋行波管放大器主互作用回路的截止頻率時(shí)，也具有很好的傳輸性能；結(jié)構(gòu)緊湊，且可以直接利用現(xiàn)有的工藝加工而成。
文檔編號(hào)H01P3/00GK101110492SQ20071012108
公開(kāi)日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月29日
發(fā)明者劉濮鯤, 杜朝海, 耿志輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所