一种TE1,1模回旋行波管的输出装置的制作方法

本发明属于大功率毫米波技术中的功率源技术领域，具体涉及一种能直接输出线极化高斯波束的回旋行波管横向输出装置。

背景技术：

回旋行波管是一种大功率的宽带毫米波放大器，具有宽频带、高功率、高增益和高效率等特点，在通讯、雷达、精确制导和材料处理等方面有着广泛的应用市场。在回旋行波管的实现过程中，寄生谐振(包括输入输出及局部结构引起的反射、工作模式在截至频域的不稳定、返波谐振等)的抑制是设计过程中最为关键的环节。TE_1,1模作为圆波导的基模，不仅有利于减少器件内模式竞争，还有利于提高器件增益，是回旋行波管常用的工作模式。

输出装置是回旋行波管的关键组成部分，对输出功率、模式纯度以及整管效率有着重要的影响。为了实现电磁能量的高效、平稳输出，输出装置要尽可能地抑制工作模式的终端反射。因此，输出装置通常采用半径渐张的圆波导结构，直接与收集极输入端相接，在轴向上实现能量输出。对于工作模式为TE_1,1模的回旋行波管而言，这种传统的轴向输出的方式在应用中会存在以下两种不足：一是互作用区输出为圆极化TE_1,1模经输出结构输出后，仍然为圆极化波。传输链路中存在的不匀称(弯头的使用、传输波导的不均匀性)均会导致相位发生变化，从而恶化波束的轴比；二是TE_1,1模损耗较大，不利于远距离传输和直接应用。因此，通常需要在回旋管后连接模式变换器、圆极化器，将回旋管的工作模式转换成适宜远距离传输的线极化高斯波束。在大功率输出条件下，为保证功率容量，模式变换器、圆极化器等功能器件均需采用过模波导结构。这种过模结构的模式变换器，存在易产生寄生模式、变换长度长、插损大、需要冷却的缺点，一方面不利于回旋行波管性能的充分发挥，另一方面也大大增加了整个发射机系统的复杂度。

技术实现要素：

为了解决TE_1,1模回旋行波管存在的输出模式不利于直接应用和远距离传输的问题，以及对应的大功率毫米波传输系统难以实现高效率、紧凑化、小型化等方面的需求问题，本发明提出了一种回旋行波管的输出装置，能有效输出线极化高斯波束，不再需要外接模式变换器、圆极化器等器件。

本发明提出的一种回旋行波管的输出装置，包括依次连接的圆-椭圆波导过渡段、椭圆波导段、椭圆-圆波导过渡段和圆波导辐射器，四者内壁光滑过渡且波导中心线共轴。

所述圆-椭圆波导过渡段连接回旋行波管收集极的输出端，将输出的圆极化TE_1,1模分解成幅值相等、相位相差90度的一对简并模。

所述椭圆波导段将简并模中一个极化方向的模式转化为与之电场方向垂直的另一方向上，实现圆极化到线极化的转化，得到线极化TE_1,1模。

所述椭圆-圆波导过渡段将椭圆波导过渡到圆波导，实现与圆波导辐射器的良好匹配。

所述圆波导辐射器将线极化TE_1,1模转换成高斯波束，并通过后接的输出窗实现对外输出。

进一步地，所述圆-椭圆波导过渡段为内壁光滑的渐变结构，输入端的尺寸与收集极输出口径一致，输出端口径与椭圆波导段一致。

进一步地，所述椭圆波导段，其截面半径满足

r(φ)＝a₀+a₁ cos(2φ)。

其中，a₀为椭圆波导平均半径，a₁为角向扰动因子，且(a₀-a₁)f≥0.8785*10⁸，f为中心频率，φ为角度。

进一步地，所述圆-椭圆波导过渡段为内壁光滑的渐变结构，其输入端的尺寸与收集极输出口径一致，输出端口径与椭圆波导段一致。

进一步地，所述波导辐射器与椭圆-圆波导过渡段连接的一段设置为圆波导，另一段为内壁光滑的波导喇叭，且喇叭内径变化方式可以是连续渐张型、先张后缩型、腰鼓型、张-缩-张型等。

进一步地，圆-椭圆波导过渡段、椭圆波导段、椭-圆波导过渡段可以单独组合使用，实现线极化TE_1,1模的输出。

进一步地，波导辐射器也可以单独使用，即波导辐射器直接连接收集极输出端，实现圆极化高斯波束输出。

进一步地，所述输出装置的材料为铜。

本发明的工作原理如下：从回旋行波管收集极输出的圆极化TE_1,1模依次经过圆-椭圆波导过渡段、椭圆波导段、椭圆-圆波导过渡段后，会被转化成线极化TE_1,1模。进入波导辐射器后，线极化TE_1,1模被进一步转化成线极化的高斯波束或者HE_1,1模。最终透过后续的介质窗，实现对外输出。

本发明可以达到以下有益效果：

(1)设计的输出装置能直接输出高斯波束，而不是TE_1,1模，有利于降低输出窗的设计难度，提高回旋管的输出效率。

(2)通过对输出装置进行设计，可控制输出高斯波束的束腰大小及位置，方便与后续高功率毫米波链路的连接。

(3)设计的输出装置能输出线极化波而不是圆极化波，不必担心传输链路不均匀性引起的相位变化，有利于降低加工及安装要求。

(4)设计的输出装置能直接输出高斯波束，不需要使用外接过模波导模式变换器，不仅有利于实现大功率毫米波回旋行波管的宽频带、高效率和高功率工作，还有利于大功率毫米波应用系统的紧凑化和小型化。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为输出装置的驻波特性；

图3为输出装置在频率为f＝31GHz时的输出场分布；

图4为输出装置在频率为f＝35GHz时的输出场分布；

图5为输出装置在频率为f＝37GHz时的输出场分布。

图中：1为圆-椭圆波导过渡段、2为椭圆波导段、3为椭圆-圆波导过渡段、4波导辐射器。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做进一步详细描述。

参见图1，以Ku波段回旋行波管的横向输出装置为例。该输出装置材料为铜，属于内置型部件，整体安装在回旋管内的真空环境中，由圆-椭圆波导过渡段、椭圆波导段、椭圆-圆波导过渡段和圆波导辐射器段组成。这四个部分依次连接且内腔平滑过渡。

圆-椭圆波导过渡段为内壁光滑的波导，圆波导内壁半径为7.7mm，椭园波导半径为7.7mm，角向扰动因子为0.27mm，过渡段长13.5mm。圆-椭圆波导过渡段作为馈电输入结构，与回旋管的收集极相接，将输出的圆极化TE_1,1模分解成幅值相等、相位相差90度的一对简并模。

椭圆波导段为规则椭圆波导，长轴为7.97mm，短轴为7.43mm，长度为50.5mm。椭圆波导段将产生的电场方向垂直的简并模为单一线极化模式，实现圆极化向线极化的转换。

椭圆-圆波导过渡段的入口尺寸为规则椭圆波导尺寸，输出端为半径7.7mm圆波导，该过渡段长为13.5mm。

圆波导辐射器与椭圆-圆波导过渡段连接的一段设置为圆波导，圆波导长度为10mm；另一段为内壁光滑的张-缩-张型波导喇叭，输入端半径为7.7mm，输出端半径为16mm，长度为49.44mm；通过优化设计喇叭波导内壁曲线就能控制波导模式的成分及耦合量，从而调整辐射器的波束宽度、副瓣电平增益。

整个输出装置总长度为135.94mm，仅为中心频点对应的工作波长的6.3倍，结构紧凑。

参见图2，在13GHz-17GHz的频率范围内，ku波段回旋行波管的横向输出装置的反射均低于20dB。参见图3-5，在频率为13-17GHz的范围内，Ka波段回旋行波管的横向输出装置的辐射场具有良好的对称性，表明输出场分布为高斯波束。

把此结构应用回旋行波管上，实现了大功率毫米波线极化高斯波束输出。

作为大功率回旋行波管的重要组成部分，输出装置的性能对于整管的效率、增益以及后续的传输应用均有重要影响。本发明设计的回旋行波管输出装置能在宽频带内直接输出线极化高斯波束，在实际应用中不再需要使用模式变换器、圆极化器等功能器件，不仅有利于提高大功率毫米波系统的效率，还有利于大功率毫米波系统的紧凑化设计。