一种共焦波导宽带输入耦合装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种共焦波导宽带输入耦合装置，涉及微波，毫米波器件技术领域，具体地说是一种新型共焦波导回旋行波管宽带输入耦合系统，可以应用在毫米波及太赫兹波段的回旋行波管。共焦波导输入耦合系统中还存在许多寄生模式，导致其耦合效率下降，因此通过改变边界条件来抑制寄生模式，使从标准矩形波导输入的功率更多的耦合为工作模式的功率。将共焦波导输入耦合系统的开敞面封闭，同时在封闭面上开槽，这样就改变了边界条件，抑制了寄生模式，使工作模式的耦合效率更高，耦合带宽更宽。
【专利说明】
一种共焦波导宽带输入耦合装置
技术领域
[0001] 本发明涉及微波，毫米波器件技术领域，具体地说是一种新型共焦波导回旋行波 管宽带输入耦合系统，可以应用在毫米波及太赫兹波段的回旋行波管。
【背景技术】
[0002] 回旋行波管是一种高功率、高效益、高增益及具有一定带宽的新型高功率毫米波 器件。它在高分辨率毫米波成像、毫米波对抗、电子战和微波通信系统等方面具有重要的应 用前景。输入耦合器是回旋行波管的核心部件之一，它将波导输入的高频信号转化为高频 结构中工作模式的驻波场，由于相对论质量效应使其逐渐形成角向群聚，在注-波互作用中 交出能量，产生高功率毫米波输出。输入耦合器是完成输入信号模式变换并对回旋电子注 进行能量或速度调制的高频器件，与电子注的群聚状态密切相关。输入耦合器设计的好坏 直接影响着回旋行波管的互作用效率、增益、带宽等性能。为了实现较高的模式转化效率， 展宽其频带，同时有效地抑制寄生模式，输入耦合器的结构较为复杂，因此，要对其进行精 确计算是非常困难的。
[0003] 目前，共焦波导回旋行波管的输入耦合系统典型结构主要包括：（I)通过一个与共 焦波导镜面相互垂直的标准矩形波导注入能量，输入耦合系统的横向边界是开敞的；（II) 由两个与共焦波导镜面相互垂直的对称标准矩形波导注入能量，输入耦合系统的横向边界 是开敞的；（III)由一个与共焦波导镜面相互垂直的标准圆波导注入能量，且输入耦合系统 的横向边界是封闭的。不管是(I)，还是（II)，（III)结构，其带宽都比较窄，其耦合效率比较 低，相对带宽在5%左右，耦合效率最高达到70%。导致带宽不够宽，工作模式耦合效率低的 主要原因有:从输入波导注入的能量一部分从输入波导反射出去；工作模式的一部分能量 从输入耦合系统的横向开敞面衍射出去；在输入耦合系统中除工作模式外，还存在许多寄 生模式;对于由两个对称输入波导注入能量的结构，还存在能量从对称的波导中传输出去 的问题。
【发明内容】
[0004] 为了克服传统共焦波导宽带输入耦合装置的耦合带宽较窄，相对带宽5%左右，耦 合效率较低，最大耦合效率70%，存在寄生模式，本发明提出一种新型共焦波导回旋管输入 耦合系统技术方案，可以使共焦波导的输入耦合效率达到80.54%，相对带宽达到14.43%， 性能技术指标远远超过传统输入耦合系统。
[0005] 本发明采取以下的技术措施实现：
[0006] 本发明的一种共焦波导宽带输入耦合装置，该装置包括:共焦波导(2)、截止波导、 输入波导;共焦波导横向侧面密封，截止波导位于共焦波导的一端且密封衔接，输入波导包 括两个矩形波导，分别设置于共焦波导的两个镜面上;其特征在于所述输入波导倾斜的设 置于共焦波导的镜面上，倾斜角小于90度。
[0007] 进一步的，所述共焦波导横向侧面内壁各设置3条突起的脊，脊的方向与共焦波导 内电磁波的群传播方向一致。
[0008] 进一步的，所述介质波导为与共焦波导配合的圆台形。
[0009] 进一步的，所述输入波导与共焦波导的夹角为Θ，采用如下公式求的：
[0010]
[0011] 其中：c表示电磁波传播速度，f表示本发明耦合装置工作频率，L丄表示共焦波导两 个圆柱面之间的距离，m表示场在共焦波导X方向分布有m个驻波半波长，η表示在共焦波导y 方向分布有η个驻波半波长。
[0012] 本发明的新型共焦波导输入耦合系统解决了（I)，（II)，（III)结构导致的输入波 导能量反射，耦合系统中寄生模式问题严重，传统对称结构中能量从输入波导输出等问题。 提高了共焦波导输入耦合系统的性能，展宽了共焦波导输入耦合系统的带宽，提高了其耦 合效率，为性能优良的共焦波导回旋行波管的研制提供便利。
[0013]此时，仿真计算发现，共焦波导输入耦合系统中还存在许多寄生模式，导致其耦合 效率下降，因此通过改变边界条件来抑制寄生模式，使从标准矩形波导输入的功率更多的 耦合为工作模式的功率。将共焦波导输入耦合系统的开敞面封闭，同时在封闭面上开槽，这 样就改变了边界条件，抑制了寄生模式，使工作模式的耦合效率更高，耦合带宽更宽。
[0014] 本发明具有以下优点：親合频带宽：3dB耦合带宽14.08GHz，相对带宽14.43 %，親 合效率高:耦合效率最高达到80.54 %，带内耦合平坦度高:耦合效率在70.8 %以上的带宽 为9.28GHz。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明提供的新型共焦波导宽带输入耦合系统的等轴侧视图；
[0016] 标准矩形波导（1)，共焦波导（2)，截止波导（3)，纵向边界开槽(4)，标准矩形波导 (1)和共焦波导(2)的夹角Θ;
[0017] 图2是本发明提供的新型共焦波导宽带输入耦合系统的前视图；
[0018] 标准矩形波导（1)，共焦波导（2)，截止波导（3)，纵向边界开槽(4)，标准矩形波导 (1)和共焦波导(2)的夹角Θ;
[0019] 图3是本发明提供的新型共焦波导宽带输入耦合系统的左侧视图；
[0020] 标准矩形波导（1)，共焦波导(2)，截止波导(3)，纵向边界开槽(4);
[0021] 图4是本发明提供的新型共焦波导宽带输入耦合系统的场分布图；
[0022] 图5是本发明提供的新型共焦波导宽带输入耦合系统的耦合系数图；
[0023] 图6是本发明提供的新型共焦波导宽带输入耦合系统的Sll图；
[0024] 图7是本发明提供的新型共焦波导宽带输入耦合系统的S12图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合一个工作在W波段的新型共焦波导回旋行波管输入耦合系统设计实例以 及附图对本发明作进一步的详细阐述。由于传统的共焦波导输入结构带宽窄，耦合效率低， 尤其是在高频段的传输急剧下降。可以通过使高频段的某一个频点f，使输入波导（1)中的 电磁波的传输条件在该频率点处和共焦波导中的传输条件相同来解决。在共焦波导中，电 磁波是通过在两个镜面之间不断反射来向前传播，所以电磁波的传播速度和群速度之间构 成一夹角Θ，因此只要输入波导（1)与共焦波导（2)的夹角和传播速度和群速度夹角Θ相同， 就能够实现在该频率点处，输入波导（1)中电磁波的传播条件和共焦波导中的传播条件相 同。因此有
[0026]
⑴
[0027] (1)式中Vg是电磁波的群速度，即波群的传播速度，或者说是调制波的信号传波速 度;c是电磁波在真空中的传播速度，即光速。根据波导中电磁波的群聚速度和光速的关系：
[0028]
(2)
[0029] (2)式中ω是电磁波的角频率，β是电磁波的相位常数，λ是电磁波在真空中平面波 的波长，λ。为截止波长。所以，c 〇S0可以变形为：
[0033] 又因为在共焦波导结构中，k2 = kz2+kc2,所以
[0030] (3)
[0031]
[0032] (4)
[0034]
(5)
[0035] (5)式中kz表示在共焦波导中传播的电磁波的纵向波数，根据共焦波导理论，在共 焦波导中传播的HEmn模电磁波，k。其横向波数ki:
[0036]
⑶
[0037] (6)式中U表示共焦波导结构两个圆柱面之间的距离，所以夹角正弦值为
[0038] (7)
[0039]
[0040] (8)
[0041] (7)式中f表示频率，根据公式(7)可以计算出共焦波导中不同的工作模式HEmn，不 同的频率f处的夹角，使得共焦波导输入耦合系统在该夹角注入的情况下，能够得到较高的 耦合效率，耦合带宽也更宽。
[0042]设计要点
[0043] 1、因为共焦波导两个圆柱面之间的距离L丄已知，工作模式HEmn也是确定的，为了使 耦合带宽的高频段的耦合效率更高，可以在高频段选择一个频点Π ，计算出标准矩形波导 和共焦波导的夹角。当从矩形波导输入的电磁波的传播方向和共焦波导中该频率点的传输 特性相同时，使得该频率点耦合效率高，从而拓展了耦合带宽。
[0044] 2、已知共焦波导输入耦合系统截止波导段的结构参数，输入的标准矩形波导的结 构参数也是已知，标准矩形波导的位置可以通过电磁仿真软件HFSS仿真计算并优化得到。
[0045] 3、共焦波导纵向面上开槽深度，宽度及槽的位置可以通过HFSS仿真优化计算。
[0046] W波段新型共焦波导回旋行波管输入耦合系统技术指标要求：
[0047]共焦波导工作模式:HEo4模；
[0048] 工作频段:W波段（90 · 4GHz-l04 · 4GHz);
[0049] 标准矩形波导型号:BJ1200，宽边尺寸:2.032mm，窄边尺寸:1.016mm;
[0050] 3dB耦合带宽：14 · 08GHz，最佳耦合效率:80 · 54% ;
[0051] 附图1为新型共焦波导宽带输入耦合系统的等轴侧视图，图2为共焦波导新型共焦 波导宽带输入耦合系统的正视图，图3为新型共焦波导宽带输入耦合系统的左侧视图。该发 明新型包括:标准矩形波导（1)，共焦波导(2)，截止波导(3)，纵向边界上的开槽(4)。
[0052] 其中：
[0053] 标准矩形波导（1):宽边尺寸:2.54mm，窄边尺寸：1.27mm;旋转度:25°。
[0054] 共焦波导(2):半径:7mm，横向宽度:6mm，两镜面距离:7mm，纵向长度:5mm;
[0055] 截止波导(3):上半径:4.7mm，下半径:7mm，纵向长度:2.6mm;
[0056] 纵向边界开槽(4):槽宽度:0.5mm，槽深度:0.4mm，槽的位置:3cm;长度：13mm。
[0057]图4为仿真所得新型共焦波导输入耦合系统的Sll和S22参数。Sll和S22参数表征 输入标准矩形波导（1)的反射量，由图可知该共焦波导输入耦合系统的反射量约为；图5为 仿真所得新型共焦波导输入耦合系统的S41和S42参数的和的对数:表征新型共焦波导输入 耦合系统的耦合效率，从图上可知，该结构的最佳耦合效率为:. 94dB(80.54% )，3dB耦合 带宽为：14.08GHz，相对耦合带宽为14.43%。
[0058]以上实例仅为说明本发明新型，本发明新型可以应用于其他频段和其他工作模式 的共焦波导输入耦合系统，夹角Θ由工作频点和工作模式确定。
【主权项】
1. 一种共焦波导宽带输入禪合装置，该装置包括:共焦波导（2)、截止波导、输入波导； 共焦波导横向侧面密封，截止波导位于共焦波导的一端且密封衔接，输入波导包括两个矩 形波导，分别设置于共焦波导的两个镜面上;其特征在于所述输入波导倾斜的设置于共焦 波导的镜面上，倾斜角小于90度。2. 如权利要求1所述的一种共焦波导宽带输入禪合装置，其特征在于所述共焦波导横 向侧面内壁各设置3条突起的脊，脊的方向与共焦波导内电磁波的群传播方向一致。3. 如权利要求1所述的一种共焦波导宽带输入禪合装置，其特征在于所述介质波导为 与共焦波导配合的圆台形。4. 如权利要求1所述的一种共焦波导宽带输入禪合装置，其特征在于所述输入波导与 共焦波导的夹角为0，采用如下公式求的：其中：C表示电磁波传播速度，f表示本发明禪合装置工作频率，L丄表示共焦波导两个圆 柱面之间的距离，m表示场在共焦波导X方向分布有m个驻波半波长，n表示在共焦波导y方向 分布有n个驻波半波长。
【文档编号】H01J23/38GK105914117SQ201610246861
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】王建勋, 姚叶雷, 夏建波, 任绪迅, 罗勇
【申请人】电子科技大学