专利名称：一种提高耦合腔行波管增益平坦度的方法
技术领域：
本发明涉及微波真空电子领域，具体涉及一种提高耦合腔行波管增益平坦度的方 法。
背景技术：
行波管根据其慢波结构可分为螺旋线行波管、耦合腔行波管等。螺旋线慢波系统 的色散很小，具有很宽的工作带宽，但螺旋形慢波系统散热性能较差，因此一般用于宽频带 的中小功率的行波管中。耦合腔慢波系统具有很强的色散，因此其工作带宽相对于螺旋线 慢波系统来说很窄，但耦合腔慢波系统的散热性能很好，能承受相当大的工作功率，耦合腔 慢波系统一般用于大功率的行波管中。耦合腔行波管主要由电子枪、耦合腔慢波系统、收集极、微波输入系统、微波输出 系统组成。其中电子枪是发射出具有一定速度的电子注进入耦合腔慢波系统；耦合腔慢波 系统的作用是提供微波与电子注的相互作用；收集极是接受在耦合腔中与微波相互作用后 的电子注；微波输入系统的作用是向耦合腔慢波系统馈入微波信号；微波输出系统的作用 是从耦合腔慢波系统中获得微波与电子注作用后的放大的微波信号。传统的耦合腔行波管，在整个耦合腔慢波系统段内，为了使微波信号与电子注能 够持续相互作用，微波输入系统传输的微波的相速都低于电子注的运动速度。由于耦合 腔慢波系统具有很强的色散，在工作频带内的各频率点上微波与电子注的耦合阻抗均不相 同，微波与电子注的不同步的参量也不相同。这就导致在每一个耦合腔内，对于工作频带内 不同的频率点，所获得的增益不同。由于耦合腔慢波系统内每个耦合腔所获得的增益不同，利用传统的耦合腔慢波系 统结构设计制作的耦合腔行波管具有一个很大的缺点，就是整个行波管的增益起伏很大。 增益起伏过大，行波管的应用会受到很大的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高耦合腔行波管增益平坦度的方法，解决耦合腔行波 管增益起伏过大的问题。为实现上述目的，对本发明所采取的技术方案总体构思为所述的这种提高耦合腔行波管增益平坦度的方法是在传统的耦合腔行波管的慢 波系统上增加一段增益均衡段。增益均衡段实际上就是一段耦合腔链，耦合腔链有多个耦 合腔组成。在行波管耦合腔慢波系统中，当输入微波的相速略大于电子注的运动速度时，相 互作用的结果是部分微波能量转换为电子注的动能，使得电子注的运动速度提高而微波能 量减弱，微波信号得到负的增益。增益均衡段的增加正是基于此相互作用结果。增益均衡段就是在耦合腔行波管的慢波系统的合适位置加上一耦合腔链。该耦合 腔链的微波相速设计的比电子注的传输速度要高一些。其结果是，当电子注穿过该耦合腔链时，微波信号会获得负的增益。由于耦合腔链的工作频带内的各频率点上微波与电子注 的耦合阻抗均不相同，微波与电子注的非同步参量也不相同，微波信号得到的负的增益呈 起伏状态。在传统的耦合腔行波管中，整个耦合腔慢波系统段内，为了使微波信号与电子注 能够持续相互作用，微波输入系统传输的微波的相速都低于电子注的运动速度。当电子注 的运动速度略大于微波的相速时，电子注的动能部分转化为微波能量，从而电子注速度减 小，微波能量得到放大，微波信号得到正的增益，由于耦合腔微波系统的工作频带内的各频 率点上微波与电子注的耦合阻抗均不相同，微波与电子注的非同步参量也不相同，微波信 号得到的正的增益呈起伏状态。在传统耦合腔行波管中加入耦合腔链后，耦合腔链中微波与电子注的相互作用获 得的微波信号的负的增益与传统耦合腔行波管中微波信号的正的增益叠加后，最终可获得 一个稳定的微波信号增益。当加入了耦合腔链后，行波管的增益平坦度会得到较大的改善，但总的增益会有 一定程度的下降，为了克服这一问题，需要在管子耦合腔链后面的各段中增加耦合腔体。耦合腔链中微波信号的相速按以下步骤确定；第一步计算出未增加耦合腔链 时，行波管耦合腔慢波系统内最大增益起伏值a ；第二步计算行波管耦合腔慢波系统内平 均每个腔体增益的差别b，b = a/N，其中N为行波管耦合腔慢波系统中腔体数量的总和；第 三步计算耦合腔行波管增益起伏最大值为a时，微波相速与电子注速度的比值c，此时微 波相速为VP1，电子注速度是Ve，c( = VplAO ；第四步确定增加的耦合腔链内的微波相速 Vp2, Vp2高于耦合腔链内的电子注的速度ve，Vp2 = vyc。在增加的耦合腔链的后端增加的耦合腔体的个数N1 的计算公式为=N1 = (aN/ G)，其中G为耦合腔行波管的增益。为了在尽量短的耦合腔链中获得与a大致相等的负增益，需要将耦合腔链的色散 特性加强，实际上就是需要将耦合腔链的冷带宽设计的窄一些。一般来说把耦合腔链的冷 带宽设计得与行波管耦合腔慢波系统其它各段冷带宽的一半左右，就可以满足设计要求。传统的耦合腔行波管，一般包含驱动段和输出段，在两段之间用吸收器隔开。吸收 器的作用是吸收反向传输的功率，从而消除返波振荡使管子能够稳定工作。一般当管子的 增益在30dB以下时，驱动段仅仅包含输入段；当管子的增益在30dB及以上时，驱动段又分 为两段，即输入段和中间段，输入段和中间段之间也用一个吸收器隔开，吸收器的作用也是 消除返波振荡。输出段一般包含三部分即初始相速段，第一相速跳变段，第二相速跳变段。 其中初始相速段是指微波在这一段慢波系统中的相速与在驱动段中的相速相同的慢波段。 由于在输出段里，电子注与微波信号已经进行了一定程度的互作用，电子注的速度因为互 作用的结果而部分转化成为了微波能量，因此电子注的速度在逐渐减小，与微波相速的同 步性也在逐渐的变差。为了使得电子注速度与微波相速的同步性进一步维持，需要对微波 的相速进行调整，即将微波的相速减小到与电子注速度再同步，这也称为“相速跳变”。一般 为了使慢波系统与微波输出系统匹配时获得良好的电压驻波比，仅使用两次相速调变，即 第一相速调变段，第二相速跳变段。当管子的增益为30dB以下时，驱动段仅仅包含输入段，带有增益均衡段的耦合腔 慢波系统应按如下方案设计
第一种方案在上述的传统的耦合腔行波管中，在耦合腔慢波系统的驱动段加入 耦合腔链；耦合腔链位于驱动段的输入段与输出段的初始相速段之间，在耦合腔链与初始 相速断之间加入吸收器。第二种方案在上述的传统的耦合腔行波管中，在耦合腔慢波系统的驱动段加入 耦合腔链；耦合腔链位于驱动段的输入段与输出段的初始相速段之间；在输入段与耦合腔 链之间加入吸收器，在耦合腔链与初始相速段之间加入吸收器。上述两个方案中，第一种方案更适合应用于小功率行波管的设计，因为其省去了 一个吸收器，行波管的长度会有一定程度的减小。当管子的增益为30dB以上时，带有耦合腔链的慢波系统应按如下方案设计第一种方案在上述的传统的耦合腔行波管中，在耦合腔慢波系统的驱动段加入 耦合腔链；耦合腔链位于驱动段的中间段与输出段的初始相速段之间；在耦合腔链与初始 相速段之间加入吸收器。第二种方案在上述的传统的耦合腔行波管中，在耦合腔慢波系统的输出段加入 耦合腔链；耦合腔链位于驱动段的中间段与输出段的初始相速段之间；在耦合腔链与中间 段之间加入吸收器。所述的这种提高耦合腔行波管增益平坦度的方法，在传统耦合腔行波管慢波结构 的适当位置增加一个耦合腔链。在耦合腔链内，选择比慢波系统其它各段更强的色散，并且 使得微波信号的相速比电子注的运动速度小，微波信号获得负的增益。在慢波系统的其它 段内，微波信号获得正的增益。正的增益与负的增益叠加，就使得整个慢波系统的平坦度获 得提高，克服了耦合腔行波管增益起伏大的缺点。
下面对本说明书附图所表达的内容作简要说明图1为耦合腔行波管结构示意图；图2为增益在30dB以下传统耦合腔慢波系统功能段示意图；图3为增益在30dB以上传统耦合腔慢波系统功能段示意图；图4为传统耦合腔慢波系统内微波信号的频率增益图；图5为在耦合腔链内微波信号的频率增益图；图6加入耦合腔链后耦合腔行波管慢波系统内微波信号的频率增益图；图7为加入耦合腔链后增益为30dB以下耦合腔行波管慢波结构示意图1 ；图8为加入耦合腔链后增益为30dB以下耦合腔行波管慢波结构示意图2 ；图9为加入耦合腔链后增益为30dB以上耦合腔行波管慢波结构示意图1 ；图10为加入耦合腔链后增益为30dB以上耦合腔行波管慢波结构示意2 ；
具体实施例方式下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式
作进一步详细的 说明，以帮助本领域的技术人员对发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。如图1所示的耦合腔行波管由电子枪、耦合腔慢波系统、收集极、微波输入系统、 微波输出系统组成。
图2为增益在30dB以下耦合腔行波管慢波系统的功能示意图。耦合腔慢波系统， 包含驱动段和输出段，在两段之间用吸收器隔开。驱动段中只有输入段。输出段包含三部 分即初始相速段，第一相速跳变段，第二相速跳变段。图3为增益在30dB以上耦合腔行波管慢波系统的功能示意图。耦合腔慢波系统， 包含驱动段和输出段，在两段之间用吸收器隔开。驱动段包含输入段和中间段，两者之间用 吸收器隔开。输出段包含三部分即初始相速段，第一相速跳变段，第二相速跳变段。图4为传统耦合腔行波管慢波系统中微波信号的正增益示意图，微波信号在传统 耦合腔慢波系统中的正增益先逐渐上升，上升到最大值后，再逐渐下降，微波信号在传统耦 合腔慢波系统中的增益起伏很大。图5为增益均衡段内微波信号的负增益示意图，增益均衡段内微波信号的增益呈 逐渐上升，上升到最大负增益值后，再呈逐渐下降的趋势。图6为在传统耦合腔行波管中增加耦合腔链后微波信号的增益图。加入耦合腔链 后，耦合腔链产生的负的增益与传统耦合腔行波管的正的增益进行叠加。耦合腔行波管的 增益起伏大的状况可得到改善。图7和图8为增益在30dB以下耦合腔行波管加入耦合腔链的示意图。如图7所示，增益在30dB以下耦合腔行波管加入耦合腔链的位置为慢波系统的驱 动段；耦合腔链位于驱动段的输入段与输出段的初始相速段之间，在耦合腔链与初始相速 断之间加入吸收器。图8作为可供选择的另一种方案，在耦合腔慢波系统的驱动段加入耦合腔链；耦 合腔链位于驱动段的输入段与输出段的初始相速段之间；在输入段与耦合腔链之间加入吸 收器，在耦合腔链与初始相速段之间加入吸收器。图9和图10为增益在30dB以上耦合腔行波管加入耦合腔链的示意图。图9所示，增益在30dB以上耦合腔行波管加入耦合腔链段位置为慢波系统的驱动 段；耦合腔链位于驱动段的中间段与输出段的初始相速段之间；在耦合腔链与初始相速段 之间加入吸收器。图10为增益在30dB以上耦合腔行波管加入耦合腔链的另一种方案，在耦合腔慢 波系统的输出段加入耦合腔链；耦合腔链位于驱动段的中间段与输出段的初始相速段之 间；在耦合腔链与中间段之间加入吸收器。
权利要求
一种提高耦合腔行波管增益平坦度的方法，其特征在于在耦合腔行波管慢波系统中增加耦合腔链；耦合腔链的色散大于耦合腔行波管慢波系统其它各段耦合腔；耦合腔链中的微波信号的相速比电子注的运动速度小。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于耦合腔链中微波信号的相速按以下步骤 确定；第一步骤计算出未增加耦合腔链时，行波管耦合腔慢波系统内最大增益起伏值a ；第二步骤计算行波管耦合腔慢波系统内平均每个腔体增益的差别b，b = a/N，其中N 为行波管耦合腔慢波系统中腔体数量的总和；第三步骤计算耦合腔行波管增益起伏最大值为a时，微波相速与电子注速度的比值 c，此时微波相速为VP1，电子注速度是Ve，c( = Vpl/Ve)；第四步骤确定增加的耦合腔链内的微波相速Vp2，Vp2高于耦合腔链内的电子注的速度 Ve，Vp2 = NJc0
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于增加的耦合腔链的冷带宽为耦合腔行波 管慢波系统其它段耦合腔冷带宽的一半，增加的耦合腔链的微波信号所获得的负增益与a 大致相等。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于在耦合腔行波管慢波系统中，在增加的耦 合腔链的后端增加耦合腔，增加的耦合腔体的个数N1 的计算公式为=N1 = (aN/G)，其中 G为耦合腔行波管的增益。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的耦合腔链有多个耦合腔组成。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的耦合腔链位于耦合腔行波管慢波 系统的驱动段的输入段与输出段的初始相速段之间，在耦合腔链与初始相速断之间加入吸 收器。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的耦合腔链位于耦合腔行波管慢波 系统的驱动段的输入段与输出段的初始相速段之间；在输入段与耦合腔链之间加入吸收 器，在耦合腔链与初始相速段之间加入吸收器。
8.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的耦合腔链位于耦合腔行波管慢波 系统的驱动段的中间段与输出段的初始相速段之间；在耦合腔链与初始相速段之间加入吸 收器。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的耦合腔链位于耦合器行波管慢波 系统的驱动段的中间段与输出段的初始相速段之间；在耦合腔链与中间段之间加入吸收
全文摘要
本发明公开了一种提高耦合腔行波管增益平坦度的方法，其在传统耦合腔行波管慢波结构的适当位置增加一个耦合腔链。该耦合腔链的色散大于耦合腔行波管慢波系统其它各段，并且耦合腔链中的微波信号的相速比电子注的运动速度小，微波信号在耦合腔链中获得负的增益。在耦合腔行波管慢波系统的其它段内，微波信号获得正的增益。上述正的增益与负的增益叠加，就使得整个慢波系统的平坦度获得提高，该方法适用可行，具有很强的实用价值。
文档编号H01J23/24GK101982867SQ20101027605
公开日2011年3月2日 申请日期2010年9月6日 优先权日2010年9月6日
发明者吴华夏, 张丽, 方卫, 江祝苗, 沈旭东 申请人:安徽华东光电技术研究所