一种基于微带线的直角输能结构、行波管及其设计方法与流程

本发明涉及真空电子器件领域。更具体地，涉及一种基于微带线的直角输能结构、行波管及其设计方法。

背景技术：

在军事上，随着对更远距离目标实现更高精度探测的需求愈加突显，对于作为雷达、通信、电子对抗等电子信息装备的有源相控阵体制的阵面功率、效率都有着更高的要求，以行波管为代表的真空器件则正好迎合了这种要求，将真空器件应用于有源相控阵体制中，将大大增强系统整体性能，是阵列天线系统理想的核心器件。

有源相控阵系统对系统中各个单元的间距具有严格的要求也即对单元中各个器件的横截面面积有很高的要求，真空器件由于其体积大，不易集成的特点，常常被阵列天线系统所忽视。行波管若要应用于有源相控阵体制中，对行波管进行体积小型化设计是不够的，还需要对行波管的输能结构进行重新设计，使输能方向与管体平行，减小整个行波管的横截面面积。

如图1所示，目前大多数螺旋线行波管主要采用螺旋线-同轴窗-同轴线拐角输能结构1，包括同轴窗11和与同轴窗11同轴连接的同轴线12，其中，同轴窗11包括内导体111、介质窗片112和外导体113，为使同轴线改变方向以便沿行波管轴向方向延伸，需对与同轴窗11同轴连接的同轴线12进行强制弯曲，此结构对同轴线缆的强度要求较高且需要一定的弯曲半径，同时由于同轴线12与同轴窗11需要螺纹或者卡扣连接，增加了输能结构的高度，进一步增加了行波管整管的横向尺寸，这种结构不利于行波管的小型化设计。

因此，需要提供一种尺寸紧凑的可小型化的输能结构，便于行波管在相控阵天线系统中应用。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种基于微带线的行波管直角输能结构，本发明的另一个目的在于提供一种带有微带传输线的行波管，本发明的再一目的在于提供一种基于微带线的行波管直角输能结构设计方法，形成螺旋线行波管直角输能结构，贴着行波管的表面输入或输出行波管内螺旋线的能量，减小螺旋线行波管的横向尺寸，满足有源相控阵天线系统的对于螺旋线行波管的结构需求。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

本发明公开了一种基于微带线的行波管直角输能结构，该直角输能结构包括：

包括内导体、介质窗片和外导体的同轴窗；以及

包括介质基底及形成在介质基底上的导体的微带线；

所述微带线的导体垂直于所述内导体与内导体位于行波管外的一端电连接；

所述内导体位于行波管内的一端与螺旋线电连接。

优选地，所述微带线垂直于同轴窗沿行波管表面延伸。

优选地，所述微带线的导体为覆在介质基底表面上的线性导体。

优选地，所述微带线的导体与内导体焊接电连接。

优选地，所述外导体包括垂直于同轴窗内导体延伸的用于对微带线提供支撑的支撑部。

优选地，所述同轴窗为圆形窗或矩形窗。

优选地，所述同轴窗内导体与所述螺旋线采用激光焊接连接。

本发明同时公开了一种带有直角输能结构的行波管，该行波管包括：

包括内导体、介质窗片和外导体的同轴窗；以及

包括介质基底及形成在介质基底上的导体的微带线；

所述微带线的导体垂直于所述内导体与内导体位于行波管外的一端电连接；

所述内导体位于行波管内的一端与螺旋线电连接。

本发明还公开了一种所述行波管直角输能结构的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

选择同轴窗的形状和介质窗片的材料以及微带线介质基底的材料；

确定微带线导体厚度、宽度和形状；

确定介质基底的厚度；

基于确定的导体厚度、宽度及形状以及介质基底的厚度，利用仿真软件对行波管回波损耗特性及驻波比进行仿真，根据所需的行波管回波损耗特性及驻波比，对所述确定的导体厚度、宽度及形状以及介质基底的厚度进行优化。

优选地，所述设计方法中优化的基准参数为微带线的耦合阻抗，所述微带线的耦合阻抗为

其中，

w′＝w+Δw′

其中，ε_r为介质基底的介电常数，w为导体宽度，t为导体厚度，h为介质基底厚度。

本发明的有益效果如下：

本发明通过将微带线作为同轴窗的输能手段，将微带线的导体垂直于同轴窗内导体与内导体焊接并将微带线贴设于同轴窗介质窗片的表面，利用同轴窗内导体输入或输出行波管内螺旋线上的能量。根据本发明的微带线同轴窗输能结构，实现了微带线直接垂直于同轴窗延伸，减小了常规同轴线传输介质实现直角拐角所需要的空间。同时，将微带线贴设于同轴窗的表面、沿行波管轴向方向延伸，可进一步降低行波管输能结构的高度，有效减小行波管的径向尺寸，便于将行波管应用于相控阵天线系统中。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有的螺旋线-同轴窗-同轴线拐角输能结构的示意图。

图2示出本发明的一种基于微带线的行波管直角输能结构的俯视图和剖视图。

图3示出本发明的一种基于微带线的行波管直角输能结构圆形窗和矩形窗的示意图。

图4示出本发明的一种基于微带线的行波管直角输能结构微带线的俯视图和剖视图。

图5示出本发明的一种基于微带线的行波管直角输能结构仿真结果的示意图。

图6示出本发明的一种基于微带线的行波管直角输能结构实验结果的示意图。

附图标记：

1、螺旋线-同轴窗-同轴线拐角输能结构，11、同轴窗，111、内导体，112、介质窗片，113、外导体12、同轴线；

2、基于微带线的螺旋线行波管直角输能结构，21、同轴窗；22、微带线，211、内导体，212、介质窗片，213、外导体，221、介质基底，222、导体。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

图2示出根据本发明一个实施例的行波管直角输能结构。如图2所示，本发明公开了一种基于微带线的行波管直角输能结构2，所述直角输能结构2包括：包括内导体211、介质窗片212和外导体213的同轴窗21以及包括介质基底221及形成在介质基底221上的导体222的可垂直于所述同轴窗21延伸的微带线22。内导体211位于行波管内的一端与行波管内的螺旋线例如采用激光焊焊接，内导体211位于行波管外的一端与所述微带线22的导体垂直222电连接，例如，可通过对介质窗片212表面形成局部金属化实现内导体211与微带线22上导体焊接。同轴窗21与微带线22的焊接结构需要保证焊接后的直角输能结构2与行波管设置的密封性，以维持行波管内的真空环境。该实施例中，外导体213可为横截面与所述介质窗片212形状相匹配的中空的壳体，可接地设置。同轴窗21可采用圆形或矩形等形状，介质窗片212的形状如图3所示。同轴窗21保持了螺旋线行波管内的真空环境，同时也可为所述微带线22提供介质支撑。例如，如图2所示，窗片212与外导体213为端封结构，外导体213优选包括垂直于同轴窗21内导体211延伸的支撑部，用于对微带线22提供支撑。可以理解，同轴窗21可以采用其他密封结构实现相同的性能要求。

所述微带线22垂直于所述行波管内导体211设置，可沿行波管轴向的方向延伸，优选地贴设于所述介质窗片212的表面，可进一步降低行波管直角输能结构2的高度和微带线22传输介质占据的空间。如图4所示，微带线22的导体222优选为覆在介质基底221表面上的线性导体，可设置于微带线22远离行波管的一侧。微带线22的导体可采用刻蚀覆金属介质板的方式得到微带线22，所述微带线22的线型需满足直角输能结构2信号传输的性能需求，可采用渐变图形的微带线。所述微带线22导体222的一端可与同轴窗21内导体211焊接连接。

作为优选实施例，本发明还涉及一种带有微带传输线的行波管，该行波管包括如上所述的基于微带线的行波管直角输能结构2。为简明起见，行波管的结构在此不再赘述。

作为优选实施例，本发明进一步涉及一种基于微带线的行波管直角输能结构设计方法。该方法例如包括，根据行波管的参数要求，选择同轴窗21的形状和介质窗片212的材料，选择微带线22介质基底221的材料；确定介质窗片212的厚度及外形尺寸；确定导体222厚度、宽度和形状；确定介质基底221的厚度。

首先得到微带线22的等效介电常数为

其中，ε_r为介质基底的介电常数，w为导体宽度，h为介质基底厚度。

当时，上述公式可简化为

当介质为空气时，微带线22的耦合阻抗为

进而可得到本实施例中微带线22的耦合阻抗为

w′＝w+Δw′

其中，t为导体厚度。

为了优化行波管直角输能结构，根据本发明的设计方法初步确定导体222厚度、宽度和形状以及介质基底221的厚度，基于微带线22的耦合阻抗，利用电磁仿真软件例如CST对行波管回波损耗特性(S11参数)及驻波比(VSWR)进行仿真，根据所需的行波管S11参数及VSWR，对所述初步确定的导体222厚度、宽度和形状以及介质基底221的厚度及外形尺寸进行优化。

下面通过一个具体实例对本发明作进一步的说明。首先在仿真分析环境中建立直角输能结构的三维模型：选择同轴窗21的形状为矩形，介质窗片212的材料为氧化铝陶瓷以及微带线22介质基底221的材料为氧化铝陶瓷，选择介质窗片212的厚度及外形尺寸，建立同轴窗21。确定导体222厚度、宽度和形状，确定介质基底221的厚度，建立微带线22。计算得到微带线22的耦合阻抗为50Ω，在仿真环境中验证Ku波段的S11参数和VSWR，并对直角输能结构2的同轴窗21和微带线22的各个参数进行优化，得到同轴窗21介质窗片212尺寸为2毫米*2毫米，微带线22导体222厚度为0.1毫米，介质基底221宽度为2毫米，此时的S11参数≥-10dB，VSWR≤2，如图5所示。

在实验室环境下按照在仿真环境中优化后的上述同轴窗21和微带线22的各个参数建立行波管直角输能结构2，将螺旋线与同轴窗21内导体211激光焊接，对窗片金属化、将内导体211和微带线22通过焊接实现电连接，其中内导体211与微带线22呈直角设置，得到根据本发明的直角输能结构2。在微带线22沿行波管轴向方向延伸的一端连接标准同轴输出，利用矢量网络分析仪，对所得到的直角输能结构2进行测试。通过实验验证Ku波段的S11参数和VSWR，得到S11参数≥-10dB，VSWR≤2，与仿真结果一致，如图6所示。因此，本发明可以微型化结构实现行波管螺旋线能量的高质量输入或输出。

本发明的直角输能结构2采用同轴窗21和垂直于所述同轴窗21、沿行波管表面延伸的微带线22输入或输出行波管中螺旋线上的信号。根据本发明的行波管直角输能结构2不必采用与同轴窗21螺纹连接或卡接的同轴线，避免了由于强制弯折同轴线形成拐角输能结构而造成的行波管横向尺寸增大的问题。本发明中微带线22为平板状且可贴设于所述同轴窗21的表面，不必设置外部保护装置，可直接暴露于空气中，相对于现有的同轴线拐角输能，结构和工艺简单，能够大幅度降低行波管输能结构的高度，从而减小行波管的尺寸，使行波管的设计能够进一步小型化，便于应用于有源相控阵体制中。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。