本發(fā)明涉及真空電子器件領(lǐng)域。更具體地，涉及一種基于微帶線的直角輸能結(jié)構(gòu)、行波管及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

在軍事上，隨著對更遠(yuǎn)距離目標(biāo)實現(xiàn)更高精度探測的需求愈加突顯，對于作為雷達(dá)、通信、電子對抗等電子信息裝備的有源相控陣體制的陣面功率、效率都有著更高的要求，以行波管為代表的真空器件則正好迎合了這種要求，將真空器件應(yīng)用于有源相控陣體制中，將大大增強(qiáng)系統(tǒng)整體性能，是陣列天線系統(tǒng)理想的核心器件。

有源相控陣系統(tǒng)對系統(tǒng)中各個單元的間距具有嚴(yán)格的要求也即對單元中各個器件的橫截面面積有很高的要求，真空器件由于其體積大，不易集成的特點，常常被陣列天線系統(tǒng)所忽視。行波管若要應(yīng)用于有源相控陣體制中，對行波管進(jìn)行體積小型化設(shè)計是不夠的，還需要對行波管的輸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，使輸能方向與管體平行，減小整個行波管的橫截面面積。

如圖1所示，目前大多數(shù)螺旋線行波管主要采用螺旋線-同軸窗-同軸線拐角輸能結(jié)構(gòu)1，包括同軸窗11和與同軸窗11同軸連接的同軸線12，其中，同軸窗11包括內(nèi)導(dǎo)體111、介質(zhì)窗片112和外導(dǎo)體113，為使同軸線改變方向以便沿行波管軸向方向延伸，需對與同軸窗11同軸連接的同軸線12進(jìn)行強(qiáng)制彎曲，此結(jié)構(gòu)對同軸線纜的強(qiáng)度要求較高且需要一定的彎曲半徑，同時由于同軸線12與同軸窗11需要螺紋或者卡扣連接，增加了輸能結(jié)構(gòu)的高度，進(jìn)一步增加了行波管整管的橫向尺寸，這種結(jié)構(gòu)不利于行波管的小型化設(shè)計。

因此，需要提供一種尺寸緊湊的可小型化的輸能結(jié)構(gòu)，便于行波管在相控陣天線系統(tǒng)中應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的另一個目的在于提供一種帶有微帶傳輸線的行波管，本發(fā)明的再一目的在于提供一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，形成螺旋線行波管直角輸能結(jié)構(gòu)，貼著行波管的表面輸入或輸出行波管內(nèi)螺旋線的能量，減小螺旋線行波管的橫向尺寸，滿足有源相控陣天線系統(tǒng)的對于螺旋線行波管的結(jié)構(gòu)需求。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

本發(fā)明公開了一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)，該直角輸能結(jié)構(gòu)包括：

包括內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)窗片和外導(dǎo)體的同軸窗；以及

包括介質(zhì)基底及形成在介質(zhì)基底上的導(dǎo)體的微帶線；

所述微帶線的導(dǎo)體垂直于所述內(nèi)導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體位于行波管外的一端電連接；

所述內(nèi)導(dǎo)體位于行波管內(nèi)的一端與螺旋線電連接。

優(yōu)選地，所述微帶線垂直于同軸窗沿行波管表面延伸。

優(yōu)選地，所述微帶線的導(dǎo)體為覆在介質(zhì)基底表面上的線性導(dǎo)體。

優(yōu)選地，所述微帶線的導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體焊接電連接。

優(yōu)選地，所述外導(dǎo)體包括垂直于同軸窗內(nèi)導(dǎo)體延伸的用于對微帶線提供支撐的支撐部。

優(yōu)選地，所述同軸窗為圓形窗或矩形窗。

優(yōu)選地，所述同軸窗內(nèi)導(dǎo)體與所述螺旋線采用激光焊接連接。

本發(fā)明同時公開了一種帶有直角輸能結(jié)構(gòu)的行波管，該行波管包括：

包括內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)窗片和外導(dǎo)體的同軸窗；以及

包括介質(zhì)基底及形成在介質(zhì)基底上的導(dǎo)體的微帶線；

所述微帶線的導(dǎo)體垂直于所述內(nèi)導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體位于行波管外的一端電連接；

所述內(nèi)導(dǎo)體位于行波管內(nèi)的一端與螺旋線電連接。

本發(fā)明還公開了一種所述行波管直角輸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，所述方法包括：

選擇同軸窗的形狀和介質(zhì)窗片的材料以及微帶線介質(zhì)基底的材料；

確定微帶線導(dǎo)體厚度、寬度和形狀；

確定介質(zhì)基底的厚度；

基于確定的導(dǎo)體厚度、寬度及形狀以及介質(zhì)基底的厚度，利用仿真軟件對行波管回波損耗特性及駐波比進(jìn)行仿真，根據(jù)所需的行波管回波損耗特性及駐波比，對所述確定的導(dǎo)體厚度、寬度及形狀以及介質(zhì)基底的厚度進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)選地，所述設(shè)計方法中優(yōu)化的基準(zhǔn)參數(shù)為微帶線的耦合阻抗，所述微帶線的耦合阻抗為

其中，

w′＝w+Δw′

其中，ε_r為介質(zhì)基底的介電常數(shù)，w為導(dǎo)體寬度，t為導(dǎo)體厚度，h為介質(zhì)基底厚度。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明通過將微帶線作為同軸窗的輸能手段，將微帶線的導(dǎo)體垂直于同軸窗內(nèi)導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體焊接并將微帶線貼設(shè)于同軸窗介質(zhì)窗片的表面，利用同軸窗內(nèi)導(dǎo)體輸入或輸出行波管內(nèi)螺旋線上的能量。根據(jù)本發(fā)明的微帶線同軸窗輸能結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了微帶線直接垂直于同軸窗延伸，減小了常規(guī)同軸線傳輸介質(zhì)實現(xiàn)直角拐角所需要的空間。同時，將微帶線貼設(shè)于同軸窗的表面、沿行波管軸向方向延伸，可進(jìn)一步降低行波管輸能結(jié)構(gòu)的高度，有效減小行波管的徑向尺寸，便于將行波管應(yīng)用于相控陣天線系統(tǒng)中。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1示出現(xiàn)有的螺旋線-同軸窗-同軸線拐角輸能結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2示出本發(fā)明的一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)的俯視圖和剖視圖。

圖3示出本發(fā)明的一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)圓形窗和矩形窗的示意圖。

圖4示出本發(fā)明的一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)微帶線的俯視圖和剖視圖。

圖5示出本發(fā)明的一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果的示意圖。

圖6示出本發(fā)明的一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)實驗結(jié)果的示意圖。

附圖標(biāo)記：

1、螺旋線-同軸窗-同軸線拐角輸能結(jié)構(gòu)，11、同軸窗，111、內(nèi)導(dǎo)體，112、介質(zhì)窗片，113、外導(dǎo)體12、同軸線；

2、基于微帶線的螺旋線行波管直角輸能結(jié)構(gòu)，21、同軸窗；22、微帶線，211、內(nèi)導(dǎo)體，212、介質(zhì)窗片，213、外導(dǎo)體，221、介質(zhì)基底，222、導(dǎo)體。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)。如圖2所示，本發(fā)明公開了一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)2，所述直角輸能結(jié)構(gòu)2包括：包括內(nèi)導(dǎo)體211、介質(zhì)窗片212和外導(dǎo)體213的同軸窗21以及包括介質(zhì)基底221及形成在介質(zhì)基底221上的導(dǎo)體222的可垂直于所述同軸窗21延伸的微帶線22。內(nèi)導(dǎo)體211位于行波管內(nèi)的一端與行波管內(nèi)的螺旋線例如采用激光焊焊接，內(nèi)導(dǎo)體211位于行波管外的一端與所述微帶線22的導(dǎo)體垂直222電連接，例如，可通過對介質(zhì)窗片212表面形成局部金屬化實現(xiàn)內(nèi)導(dǎo)體211與微帶線22上導(dǎo)體焊接。同軸窗21與微帶線22的焊接結(jié)構(gòu)需要保證焊接后的直角輸能結(jié)構(gòu)2與行波管設(shè)置的密封性，以維持行波管內(nèi)的真空環(huán)境。該實施例中，外導(dǎo)體213可為橫截面與所述介質(zhì)窗片212形狀相匹配的中空的殼體，可接地設(shè)置。同軸窗21可采用圓形或矩形等形狀，介質(zhì)窗片212的形狀如圖3所示。同軸窗21保持了螺旋線行波管內(nèi)的真空環(huán)境，同時也可為所述微帶線22提供介質(zhì)支撐。例如，如圖2所示，窗片212與外導(dǎo)體213為端封結(jié)構(gòu)，外導(dǎo)體213優(yōu)選包括垂直于同軸窗21內(nèi)導(dǎo)體211延伸的支撐部，用于對微帶線22提供支撐。可以理解，同軸窗21可以采用其他密封結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相同的性能要求。

所述微帶線22垂直于所述行波管內(nèi)導(dǎo)體211設(shè)置，可沿行波管軸向的方向延伸，優(yōu)選地貼設(shè)于所述介質(zhì)窗片212的表面，可進(jìn)一步降低行波管直角輸能結(jié)構(gòu)2的高度和微帶線22傳輸介質(zhì)占據(jù)的空間。如圖4所示，微帶線22的導(dǎo)體222優(yōu)選為覆在介質(zhì)基底221表面上的線性導(dǎo)體，可設(shè)置于微帶線22遠(yuǎn)離行波管的一側(cè)。微帶線22的導(dǎo)體可采用刻蝕覆金屬介質(zhì)板的方式得到微帶線22，所述微帶線22的線型需滿足直角輸能結(jié)構(gòu)2信號傳輸?shù)男阅苄枨螅刹捎脻u變圖形的微帶線。所述微帶線22導(dǎo)體222的一端可與同軸窗21內(nèi)導(dǎo)體211焊接連接。

作為優(yōu)選實施例，本發(fā)明還涉及一種帶有微帶傳輸線的行波管，該行波管包括如上所述的基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)2。為簡明起見，行波管的結(jié)構(gòu)在此不再贅述。

作為優(yōu)選實施例，本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種基于微帶線的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。該方法例如包括，根據(jù)行波管的參數(shù)要求，選擇同軸窗21的形狀和介質(zhì)窗片212的材料，選擇微帶線22介質(zhì)基底221的材料；確定介質(zhì)窗片212的厚度及外形尺寸；確定導(dǎo)體222厚度、寬度和形狀；確定介質(zhì)基底221的厚度。

首先得到微帶線22的等效介電常數(shù)為

其中，ε_r為介質(zhì)基底的介電常數(shù)，w為導(dǎo)體寬度，h為介質(zhì)基底厚度。

當(dāng)時，上述公式可簡化為

當(dāng)介質(zhì)為空氣時，微帶線22的耦合阻抗為

進(jìn)而可得到本實施例中微帶線22的耦合阻抗為

w′＝w+Δw′

其中，t為導(dǎo)體厚度。

為了優(yōu)化行波管直角輸能結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的設(shè)計方法初步確定導(dǎo)體222厚度、寬度和形狀以及介質(zhì)基底221的厚度，基于微帶線22的耦合阻抗，利用電磁仿真軟件例如CST對行波管回波損耗特性(S11參數(shù))及駐波比(VSWR)進(jìn)行仿真，根據(jù)所需的行波管S11參數(shù)及VSWR，對所述初步確定的導(dǎo)體222厚度、寬度和形狀以及介質(zhì)基底221的厚度及外形尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

下面通過一個具體實例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。首先在仿真分析環(huán)境中建立直角輸能結(jié)構(gòu)的三維模型：選擇同軸窗21的形狀為矩形，介質(zhì)窗片212的材料為氧化鋁陶瓷以及微帶線22介質(zhì)基底221的材料為氧化鋁陶瓷，選擇介質(zhì)窗片212的厚度及外形尺寸，建立同軸窗21。確定導(dǎo)體222厚度、寬度和形狀，確定介質(zhì)基底221的厚度，建立微帶線22。計算得到微帶線22的耦合阻抗為50Ω，在仿真環(huán)境中驗證Ku波段的S11參數(shù)和VSWR，并對直角輸能結(jié)構(gòu)2的同軸窗21和微帶線22的各個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到同軸窗21介質(zhì)窗片212尺寸為2毫米*2毫米，微帶線22導(dǎo)體222厚度為0.1毫米，介質(zhì)基底221寬度為2毫米，此時的S11參數(shù)≥-10dB，VSWR≤2，如圖5所示。

在實驗室環(huán)境下按照在仿真環(huán)境中優(yōu)化后的上述同軸窗21和微帶線22的各個參數(shù)建立行波管直角輸能結(jié)構(gòu)2，將螺旋線與同軸窗21內(nèi)導(dǎo)體211激光焊接，對窗片金屬化、將內(nèi)導(dǎo)體211和微帶線22通過焊接實現(xiàn)電連接，其中內(nèi)導(dǎo)體211與微帶線22呈直角設(shè)置，得到根據(jù)本發(fā)明的直角輸能結(jié)構(gòu)2。在微帶線22沿行波管軸向方向延伸的一端連接標(biāo)準(zhǔn)同軸輸出，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對所得到的直角輸能結(jié)構(gòu)2進(jìn)行測試。通過實驗驗證Ku波段的S11參數(shù)和VSWR，得到S11參數(shù)≥-10dB，VSWR≤2，與仿真結(jié)果一致，如圖6所示。因此，本發(fā)明可以微型化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)行波管螺旋線能量的高質(zhì)量輸入或輸出。

本發(fā)明的直角輸能結(jié)構(gòu)2采用同軸窗21和垂直于所述同軸窗21、沿行波管表面延伸的微帶線22輸入或輸出行波管中螺旋線上的信號。根據(jù)本發(fā)明的行波管直角輸能結(jié)構(gòu)2不必采用與同軸窗21螺紋連接或卡接的同軸線，避免了由于強(qiáng)制彎折同軸線形成拐角輸能結(jié)構(gòu)而造成的行波管橫向尺寸增大的問題。本發(fā)明中微帶線22為平板狀且可貼設(shè)于所述同軸窗21的表面，不必設(shè)置外部保護(hù)裝置，可直接暴露于空氣中，相對于現(xiàn)有的同軸線拐角輸能，結(jié)構(gòu)和工藝簡單，能夠大幅度降低行波管輸能結(jié)構(gòu)的高度，從而減小行波管的尺寸，使行波管的設(shè)計能夠進(jìn)一步小型化，便于應(yīng)用于有源相控陣體制中。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。