本實用新型涉及真空微波電子器件領(lǐng)域。更具體地，涉及一種基于分段串聯(lián)式慢波系統(tǒng)的螺旋線行波管。

背景技術(shù)：

行波管是一種動能換能器件，通過電子注和微波信號進行能量交換來實現(xiàn)微波信號的放大，這種能量變換只有在電子注速度與微波信號傳播速度接近的條件下才能實現(xiàn)。在自由空間中微波信號的傳播速度接近光速，因此必須采取措施減慢微波的傳播速度，所采用的方法是使微波信號沿慢波線傳輸，從而使電子注的速度接近與其進行能量交換的微波信號的速度。所謂慢波線就是在行波管電子槍中沿電子注運動方向呈螺旋狀繞制的一條螺旋線，常用鎢絲或鉬絲制成，至今仍被廣泛應用在行波管設計中，其突出優(yōu)點是頻帶寬。螺旋線是一種弱色散慢波結(jié)構(gòu)，其線路波相速隨頻率變化很小。行波管根據(jù)工作頻帶不同，有寬帶和窄帶之分。而寬帶行波管又根據(jù)工作的帶寬大小，分為不同頻段，比如2-6GHz、6-18GHz、18-40GHz等。在現(xiàn)有技術(shù)中，通過金屬翼片加載可以實現(xiàn)1.5-2倍頻程的頻帶內(nèi)的工作。

行波管在結(jié)構(gòu)上包括電子槍、慢波系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和收集極等部分。其中，慢波系統(tǒng)包括輸入耦合器、螺旋線和輸出耦合器。電子槍的作用是形成符合設計要求的電子注。聚焦系統(tǒng)使電子注保持所需形狀，保證電子注順利穿過慢波電路，并與微波場發(fā)生有效的相互做用，最后由收集極接收電子注。待放大的微波信號經(jīng)輸入耦合器進入慢波電路，并沿慢波電路行進。輸入的微波信號在慢波電路建立起微弱的電磁場，電子注進入慢波電路互作用區(qū)以后，首先受到微波場的速度調(diào)制。電子在繼續(xù)向前運動時逐漸形成密度調(diào)制。大部分電子群聚于減速場中，而且電子在減速場滯留時間比較長。因此電子注動能有一部分轉(zhuǎn)化為微波場能量，使微波信號得到放大。放大后的微波信號經(jīng)過輸出耦合器送至負載。

如圖1所示，現(xiàn)有的螺旋線行波管都是由電子槍11、一個慢波結(jié)構(gòu)12、聚焦系統(tǒng)13和收集極14組成的，通常只有一個工作電壓，實現(xiàn)相應頻帶內(nèi)的工作。在整機系統(tǒng)要求多頻帶工作的情況下，一般采用在整機內(nèi)設置多個行波管的工作方式。這種工作方式需要給該多個行波管分別供電，并需要為每一個行波管分別配置一套供電電源及輸入輸出耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)制造成本高、系統(tǒng)體積較大。

因此，需要提供一種慢波系統(tǒng)，可實現(xiàn)在一支行波管上的多頻、多點工作，降低多頻帶、多信號行波管信號放大系統(tǒng)的制造成本，減小系統(tǒng)的體積。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種基于串聯(lián)式慢波系統(tǒng)的螺旋線行波管，以提供一種具有多個工作頻帶、可對多個信號同時放大的行波管，減少多頻帶、多信號行波管信號放大系統(tǒng)的制造成本和系統(tǒng)體積。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用下述技術(shù)方案：

本實用新型公開了一種基于分段串聯(lián)式慢波系統(tǒng)的螺旋線行波管，該螺旋線行波管包括：電子槍、慢波系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和收集極，其特征在于，

該慢波系統(tǒng)包括至少兩段串聯(lián)式耦合的慢波結(jié)構(gòu)，每一段慢波結(jié)構(gòu)分別包括輸入耦合器、螺旋線和輸出耦合器。

優(yōu)選地，該螺旋線行波管進一步包括位于相鄰兩段慢波結(jié)構(gòu)間、用于調(diào)制電子注的過渡區(qū)。

優(yōu)選地，所述過渡區(qū)包括磁場調(diào)制過渡區(qū)，過渡區(qū)的磁場強度沿電子注運動方向增加。

優(yōu)選地，所述過渡區(qū)包括用于引入對電子注進行加速的電壓的外接電極。

優(yōu)選地，相鄰兩段慢波結(jié)構(gòu)中，靠近電子槍一側(cè)的慢波結(jié)構(gòu)的工作頻率高于遠離電子槍一側(cè)的慢波結(jié)構(gòu)的工作頻率。

優(yōu)選地，靠近電子槍一側(cè)的慢波結(jié)構(gòu)的電子注通道半徑小于遠離電子槍一側(cè)的慢波結(jié)構(gòu)的電子注通道半徑。

優(yōu)選地，各段慢波結(jié)構(gòu)的輸入耦合器和輸出耦合器分別與該段慢波結(jié)構(gòu)的工作頻率相匹配。優(yōu)選地，所述慢波結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)式耦合的第一段慢波結(jié)構(gòu)和第二段慢波結(jié)構(gòu)；

所述第一段慢波結(jié)構(gòu)位于靠近電子槍一側(cè)，用于放大高頻信號；

所述第二段慢波結(jié)構(gòu)用于放大低頻信號。

優(yōu)選地，各段慢波結(jié)構(gòu)的輸入耦合器同時或分別輸入微波信號。

本實用新型的有益效果如下：

本實用新型提出了一種分段串聯(lián)式高頻結(jié)構(gòu)的螺旋線行波管，在一支行波管上，通過兩個以上工作頻帶的行波管慢波結(jié)構(gòu)的串聯(lián)，拓寬了一支行波管的工作帶寬，實現(xiàn)了一支行波管多頻、多點工作。根據(jù)本實用新型的行波管通過集成多個不同頻帶的慢波結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了現(xiàn)有技術(shù)中必須采用多個行波管實現(xiàn)的功能，通過減少陰極使用數(shù)量和收集極的使用數(shù)量，極大地減少了多頻帶、多信號行波管信號放大系統(tǒng)的制造成本和體積，同時降低了整機制造和使用成本，可有效縮減整機尺寸。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1示出現(xiàn)有的行波管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出本實用新型一種基于分段串聯(lián)式慢波系統(tǒng)的螺旋線行波管實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3示出本實用新型一種基于分段串聯(lián)式慢波系統(tǒng)的螺旋線行波管實施例一的第一段慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4示出本實用新型一種基于分段串聯(lián)式慢波系統(tǒng)的螺旋線行波管實施例一的第二段慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5示出本實用新型一種基于分段串聯(lián)式慢波系統(tǒng)的螺旋線行波管實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標記：

11、電子槍，12、慢波結(jié)構(gòu)，13、聚焦系統(tǒng)，14、收集極；

21、電子槍，22、慢波系統(tǒng)，23、聚焦系統(tǒng)，24、收集極，010、第一段慢波結(jié)構(gòu)，020、第二段慢波結(jié)構(gòu)，011、第一段慢波結(jié)構(gòu)的輸入耦合器，012、第一段慢波結(jié)構(gòu)的螺旋線，013、第一段慢波結(jié)構(gòu)的輸出耦合器，021、第二段慢波結(jié)構(gòu)的輸入耦合器，022、第二段慢波結(jié)構(gòu)的螺旋線，023、第二段慢波結(jié)構(gòu)的輸出耦合器；

31、電子槍，32、慢波系統(tǒng)，33、收集極，34、外接電極，35、第一過渡區(qū)，36、第二過渡區(qū)，321、第一段慢波結(jié)構(gòu)，322、第二段慢波結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本實用新型做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本實用新型的保護范圍。

實施例一

如圖2、圖3和圖4所示，為本實用新型一種基于分段串聯(lián)式慢波系統(tǒng)的螺旋線行波管的一個具體實施例，該螺旋線行波管包括：電子槍21、慢波系統(tǒng)22、聚焦系統(tǒng)23和收集極24。其中，慢波系統(tǒng)22包括兩段串聯(lián)式耦合的第一段慢波結(jié)構(gòu)010和第二段慢波結(jié)構(gòu)020，每一段慢波結(jié)構(gòu)分別包括輸入耦合器011、021、螺旋線012、022和輸出耦合器013、023，所述輸入耦合器和輸出耦合器優(yōu)選的分別與該段慢波結(jié)構(gòu)的工作頻率相匹配。電子槍21可用于形成符合工作要求的電子注，慢波系統(tǒng)22用于對兩個不同頻帶內(nèi)的信號分別進行放大或?qū)蓚€信號同時進行放大，聚焦系統(tǒng)23用于保持電子注的收斂形狀，保證電子注可以順利通過慢波系統(tǒng)并與待放大的信號進行相互作用，收集極24用于接收電子注。

本實施例的螺旋線行波管進一步包括位于相鄰兩段慢波結(jié)構(gòu)間、用于調(diào)制電子注的過渡區(qū)25。所述過渡區(qū)25優(yōu)選為磁場調(diào)制過渡區(qū)，可由多個例如大小不完全相同的磁系統(tǒng)組成，磁系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場強度沿電子注運動方向由弱變強，可用于使電子注收斂，從而使電子注能夠順利通過之后各段慢波結(jié)構(gòu)，到達收集極24。過渡區(qū)25的設置也用于連接第一段慢波結(jié)構(gòu)010和第二段慢波結(jié)構(gòu)020，作為兩段串聯(lián)式耦合連接的慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)過渡區(qū)。

在螺旋線行波管中，電子注的通道半徑與該段慢波結(jié)構(gòu)的工作頻率呈反比，頻率越高，通道半徑越小，頻率越低，通道半徑越大。對于本實施例的螺旋線行波管的兩段慢波結(jié)構(gòu)，設置靠近電子槍21一側(cè)的第一段慢波結(jié)構(gòu)010的工作頻率高于遠離電子槍21一側(cè)的第二段慢波結(jié)構(gòu)020的工作頻率，靠近電子槍21一側(cè)的第一段慢波結(jié)構(gòu)010的通道半徑小于遠離電子槍21一側(cè)的第二段慢波結(jié)構(gòu)020的通道半徑，從而使得在小孔徑、工作頻率高的一段慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)相互作用完畢的發(fā)散電子能夠更容易通過后端大孔徑、工作頻率低的慢波結(jié)構(gòu)，最后到達收集極24。如圖3和圖4所示，為本實施例中串聯(lián)式耦合連接的第一段慢波結(jié)構(gòu)010和第二段慢波結(jié)構(gòu)020。其中，所述第一段慢波結(jié)構(gòu)010位于靠近電子槍21一側(cè)，可用于放大高頻段頻帶內(nèi)的微波信號，所述第二段慢波結(jié)構(gòu)020可用于放大低頻段頻帶內(nèi)的微波信號。

本實施例的螺旋線行波管在工作中，當需要對高頻帶內(nèi)的信號進行放大時，啟用行波管的第一段慢波結(jié)構(gòu)010進行工作。為行波管供電，由電子槍21發(fā)射電子注，使電子注通過第一段慢波結(jié)構(gòu)010。第一段慢波結(jié)構(gòu)010通過其輸入耦合器011輸入待放大的高頻信號。待放大的高頻信號經(jīng)輸入耦合器011進入慢波結(jié)構(gòu)的螺旋線012區(qū)域，沿螺旋線012行進，并在慢波結(jié)構(gòu)中建立起微弱的電磁場。電子槍21發(fā)射的電子注進入到慢波結(jié)構(gòu)互作用區(qū)后，受到高頻信號產(chǎn)生的電磁場的速度調(diào)制，電子注在繼續(xù)運動時逐漸形成密度調(diào)制，大部分電子群聚于與電磁場作用產(chǎn)生的減速場中，且電子在減速場滯留的時間比較長，因此電子注的動能有一部分轉(zhuǎn)化為電磁場的能量，使高頻信號得到放大，放大后的高頻信號經(jīng)過輸出耦合器013輸出至負載。而能量交換完的電子注通過第二段慢波結(jié)構(gòu)020，到達收集極24。這時第二段慢波結(jié)構(gòu)020只作為過渡段使用，通過聚焦系統(tǒng)23磁場調(diào)制電子注保證電子注順利通過第二段慢波結(jié)構(gòu)020到達收集極24。

當需要對低頻帶內(nèi)的信號進行放大時，啟用行波管的第二段慢波結(jié)構(gòu)020進行工作。此時第一段慢波結(jié)構(gòu)010作為過渡區(qū)25，所述第一段慢波結(jié)構(gòu)010、保證電子注可以無發(fā)散的到達第二段慢波結(jié)構(gòu)020。第二段慢波結(jié)構(gòu)020由其輸入耦合器021輸入低頻信號，使低頻信號產(chǎn)生電磁場，并與第一段慢波結(jié)構(gòu)010傳輸?shù)碾娮幼⑦M行相互作用和能量交換，從而放大低頻信號，并將放大后的低頻信號經(jīng)第二段慢波結(jié)構(gòu)020的輸出耦合器023輸出至負載。電子注由收集極24接收。因此，本實用新型的螺旋線行波管可分別通過第一段慢波結(jié)構(gòu)010和第二段慢波結(jié)構(gòu)020對高頻信號和低頻信號進行放大，從而實現(xiàn)一支行波管的雙頻段工作?？筛鶕?jù)實際需要的行波管的工作頻帶將慢波系統(tǒng)22擴展為多段串聯(lián)式耦合的慢波結(jié)構(gòu)，考慮電子注在一段慢波結(jié)構(gòu)中與信號互作用完畢時的電子速度及電子的發(fā)散情況，必要時增加過渡區(qū)進行電子注調(diào)制。可以理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)需要，將慢波系統(tǒng)設計為包括三段或更多段慢波結(jié)構(gòu)。當慢波系統(tǒng)包括三段以上串聯(lián)式耦合的慢波結(jié)構(gòu)時，各慢波結(jié)構(gòu)可同時對輸入信號進行放大，或可根據(jù)需要，選擇其中的一些慢波結(jié)構(gòu)對輸入信號進行放大。

實施例二

如圖5所示，為本實用新型一種基于分段串聯(lián)式慢波系統(tǒng)32的螺旋線行波管的另一個具體實施例，本實施例與實施例一的區(qū)別在于本實施例中螺旋線行波管的相鄰兩段慢波結(jié)構(gòu)間設置了外接電極34，外接電極34用于引入對電子注進行加速的電壓，從而使所述螺旋線行波管可以滿足多個工作電壓的需求，對電子注進行多次加速以滿足各段慢波結(jié)構(gòu)對電子注初速度的要求，實現(xiàn)多點工作。當螺旋線行波管的相鄰兩段慢波結(jié)構(gòu)間不設置外接電極34時或外接電極34不引入電壓時，螺旋線行波管進行單點工作，即對電子注進行一次加速。所述外接電極34可設置于過渡區(qū)中，優(yōu)選的，在所述外接電極34前和/或后還可設置一個磁場調(diào)制過渡區(qū)，本實施例中，在所述外接電極34前和后分別設置了一個磁場調(diào)制過渡區(qū)，即第一過渡區(qū)35和第二過渡區(qū)36。

本實施例中行波管通過過渡區(qū)引入外接電極34，并在外接電極34前后分別設置第一磁場過渡區(qū)35和第二磁場過渡區(qū)36，共同形成過渡區(qū)。行波管的工作電壓是使電子注速度與微波信號沿慢波線傳播速度同步時的電壓，一般行波管工作電壓只有一個，本實用新型引入了一支行波管多點工作的概念，即一支行波管有多個工作電壓。在第一工作電壓下，第一段慢波結(jié)構(gòu)321對電子注進行加速，并與信號進行相互作用。然后，電子注通過過渡區(qū)和第二段慢波結(jié)構(gòu)322的聚焦系統(tǒng)重新調(diào)制電子注，使電子注順利到達收集極33。這時行波管的工作點為第一段慢波結(jié)構(gòu)321的工作電壓。當需要采用第二工作電壓對電子注進行加速時，第一段慢波結(jié)構(gòu)321保證電子注可以通過第一段慢波結(jié)構(gòu)321和第一過渡區(qū)35到達外接電極34。外接電極34引入第二工作電壓對電子注進行二次加速，使電子注達到第二段慢波結(jié)構(gòu)322需要的電子注的初速度。電子注再經(jīng)過第二過渡區(qū)36的調(diào)制，進入第二段慢波結(jié)構(gòu)322，與第二段慢波結(jié)構(gòu)322引入的輸入信號進行相互作用，最后到達收集極33。第二段慢波結(jié)構(gòu)322通過輸出耦合器輸出放大后的信號。需要說明的是，當在相鄰兩段慢波結(jié)構(gòu)間引入外接電極34時，可設置靠近電子槍31一側(cè)的一段慢波結(jié)構(gòu)的工作頻率低于遠離電子槍31一側(cè)的一段慢波結(jié)構(gòu)。當電子注通過工作頻率低、電子注通道半徑大的一段慢波結(jié)構(gòu)后，通過調(diào)節(jié)外接電極34的電壓，對電子注進行調(diào)制，使電子注收斂以順利通過工作頻率高、電子注通道半徑小的一段慢波結(jié)構(gòu)，最后到達收集極33。在高頻系統(tǒng)間采用外接電極34或磁調(diào)制過渡區(qū)的情況下，行波管可以采用相同的通道半徑，以降低行波管管殼的加工難度。可根據(jù)實際需要的行波管的工作頻帶將慢波系統(tǒng)32擴展為多段串聯(lián)式耦合的慢波結(jié)構(gòu)，考慮電子注在一段慢波結(jié)構(gòu)中與信號互作用完畢時的電子速度及電子的發(fā)散情況，必要時增加過渡區(qū)進行電子注調(diào)制和/或引入外接電極對電子注再次加速?？梢岳斫猓绢I(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)需要，將慢波系統(tǒng)設計為包括三段或更多段慢波結(jié)構(gòu)。當慢波系統(tǒng)包括三段以上串聯(lián)式耦合的慢波結(jié)構(gòu)時，各慢波結(jié)構(gòu)可同時對輸入信號進行放大，或可根據(jù)需要，選擇其中的一些慢波結(jié)構(gòu)對輸入信號進行放大。

本實施例中其他結(jié)構(gòu)與實施例一中類似，在此不再贅述。

顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定，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，凡是屬于本實用新型的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之列。