带状注速调管谐振腔的模式判别和测试装置的制作方法

本发明涉及毫米波及亚毫米波电真空器件技术领域，适用于对几何尺寸较小的平面结构多间隙谐振腔进行工作模式判别和特性参数冷测。

背景技术：

速调管作为一种高功率、高增益和高效率的微波和毫米波放大器件，同时还具有工作稳定可靠和长寿命的特点，这使其在科学研究、国防建设和工业领域获得了广泛的应用。20世纪40年代到70年代初是高功率单注速调管发展最快的时期，具有代表性的成就是研制出了扩展互作用速调管及行波速调管，在这一阶段速调管的功率、效率和带宽都获得了显著提高。与此同时，为了进一步满足雷达和通信系统的使用要求，在降低工作电压的前提下，使速调管能够更加有效地兼顾功率、效率和频带特性，从20世纪60年代开始，苏联科学家开始尝试研制多注速调管并首先取得了成功。目前，覆盖L至Ka波段的多注速调管已经应用于各类移动射频电子系统中。

20世纪90年代以来，随着计算机三维仿真技术和精密微细加工能力的不断发展，突破传统的轴对称圆形电子光学系统，研制基于非轴对称带状注束流的速调管成为可能。这种速调管可适用于从L波段至G波段的窄带高功率应用场合，如粒子加速器、高功率微波武器和动态核极化增强的核磁共振谱仪。带状注速调管的主要优点为：1)互作用电路的表面积较大，器件散热容易、功率容量大；2)高频电路为整体式的平面结构，易于实现高精度的精密加工和装配焊接，尤其是在毫米波和亚毫米波频段具有优势(可使用LIGA等平面加工手段)。为提高互作用效率，带状注速调管的高频电路通常由多个串列的平面多间隙谐振腔组成，与传统速调管中的圆柱重入式谐振腔不同，前者往往工作于高次模且相邻模式的间隔较小。因此，在带状注速调管腔体冷测过程中，能否准确地对腔体中的工作模式和非工作模式进行区分，将是影响制管成功与否的关键因素。

美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory，ANL)的研究人员在1997年发表的论文(Microwave Cold Tests of Planar RF Cavities，J.Chen，T.Lee，and D.Yu，Proceedings of the 1997Particle Accelerator Conference，vol.3，pp.3120-3122)中描述了一种对X波段哑铃形谐振腔进行冷测的结构方案，参考图1。按文中所述，在腔体外壁开孔伸入小的电流环E1，依靠改变电流环平面与z轴(沿电子注运动方向)的夹角可激励起不同的TM或TE模。电流环E1通过同轴电缆E2与矢量网络分析仪5连接，经单端口扫描所得频率响应曲线上的各个尖峰即与各模式的谐振频率相对应。

上述已有技术方案存在的缺陷主要包括下列三方面。第一，该方法仅能对谐振频率较低、中部尺寸较大的单间隙谐振腔进行测量，此时腔体中部间隙的宽度(沿z轴)和高度(沿y轴)较大，因而有足够的空间容纳位于同轴线端部的电流环，而且电流环的引入不会对间隙电场的分布和模式频率造成过大的扰动。但在毫米波和亚毫米波频段，随着工作频率的持续上升，腔体尺寸也将不断减小，如在W波段，腔体间隙宽度(沿z轴)通常小于1mm，腔体间隙高度(沿y轴)通常小于2mm，此时，采用电流环激励的方法不具有可行性。其次，采用在谐振腔中部设置电流环激励工作模式的方法，尽管对单间隙谐振腔而言比较有效，但由于单一电流环无法同时激励二个及以上的间隙，因此对多间隙谐振腔的测试效果较差。再者，该方案仅仅考虑了对已加工成形的腔体模式频率进行测量，对工作模式与非工作模式的判别仅依靠与仿真结果的对比来实现，这在实际的高频段冷测过程中是有局限性的(伪模和错误的测量信号会对模式判别造成干扰)。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种带状注速调管谐振腔的模式判别和测试装置，以解决上述技术问题中的至少之一。

(二)技术方案

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种带状注速调管谐振腔的模式判别和测试装置，包括两个腔体盖板、一个塞块、一个扰动探针、两个同轴探针和矢量网络分析仪；所述两个腔体盖板拼合形成主体结构，所述主体结构中形成有谐振腔、电子注漂移通道和槽道；所述谐振腔包括两侧空腔、和连接两侧空腔的至少一个直波导间隙；所述电子注漂移通道沿垂直于所述直波导间隙方向贯穿所述谐振腔，形成矩形通道；所述槽道的第一端面与所述谐振腔的两侧空腔其中之一相连通，所述槽道的第二端面延伸至所述腔体盖板的端部；所述塞块从所述槽道的第二端面插入所述槽道内，并到达所述槽道的第一端面；所述塞块开有贯通的圆槽；所述扰动探针通过所述圆槽旋入塞块内部，并进入所述谐振腔，用于使模式频率发生偏移；所述两个同轴探针分别从所述电子注漂移通道的两端伸入，靠近所述谐振腔的最外侧直波导间隙的边缘，用于激励和探测所述谐振腔内的模式场；所述同轴探针外径尺寸小于所述电子注漂移通道的窄边高度；所述矢量网络分析仪与所述同轴探针通过电缆连接，用于测试和分析所述谐振腔的频率响应特性。

所述腔体盖板和塞块由无氧铜材料制成。所述塞块到达槽道的第一端面的一端用于密封所述槽道的第一端面；所述塞块的圆槽从外到内依次包括螺纹孔、圆孔、锥形孔和探针孔，所有螺纹孔、圆孔、锥形孔和探针孔位于同一轴线上；所述扰动探针依次包括螺杆、圆杆、锥形段和微细探针；所述扰动探针的螺杆、圆杆、锥形段和微细探针依次与所述螺纹孔、圆孔、锥形孔和探针孔相配合，使所述扰动探针依次通过所述螺纹孔、圆孔、锥形孔和探针孔进入所述谐振腔。所述扰动探针的端部开有一字槽，用于旋动所述扰动探针的螺杆在所述塞块的螺纹孔内运动。所述微细探针直径不大于0.2mm。所述微细探针能够从零连续地进入到所述谐振腔内一定的位置处。所述同轴探针包括金属圆柱壳体、介质绝缘层和金属丝，所述金属丝位于中心位置，其外层依次同心地包裹介质绝缘层和金属圆柱壳体；所述金属丝的端部伸出所述介质绝缘层和所述金属圆柱壳体。所述同轴探针的金属壳体外表面覆盖绝缘材料。

(三)有益效果

(1)本发明对平面单间隙或多间隙谐振腔中模式场的激励和探测由微细的半刚性同轴探针实现，该方法简单可靠，只要能保证涂覆绝缘层后的同轴探针外径小于电子注漂移通道的窄边高度(沿y向)即可。相对而言，在谐振腔间隙内放置电流环受到间隙尺寸的较大限制，在工作于毫米波及更高频段的腔体中难以应用。此外，对于多间隙腔而言，仅在中部单一间隙内放置电流环的方法可能无法有效激励起工作模式，而在漂移通道两端同时放置同轴探针的方法，则可有效地激励起具有轴向电场分量的各个腔模。

(2)本发明中完整的腔体结构由上、下两块结构相同的腔体盖板拼合而成，仅在谐振腔一侧将空腔与槽道连通，在冷测时插入槽内的塞块端面作为侧壁将空腔封堵起来形成环绕电子注通道的闭合结构。考虑到实际的管体高频结构中，也需要预留该位置以焊接调谐膜片，因此，与现有方案必须在腔体间隙上部开孔穿入电流环的方法相比，本方案在冷测过程中不需要额外地在腔体上开孔，这简化了工艺过程并避免了后续封堵孔洞可能引起的频率变化。

(3)本发明通过由谐振腔的空腔侧壁伸入间隙内部的金属细针，对间隙中的电场进行扰动，根据双端口传输曲线上各个尖峰的频率变化情况，结合理论和仿真分析结果可以准确地从中分辨出与工作模式相对应的尖峰，为后续有针对性地对腔体内部尺寸进行微调提供实验依据，使得实际腔体的频率满足设计要求。由于多间隙谐振腔中的模式较多，同时还存在难以避免的外部干扰，因此，实测S参数曲线上的尖峰较多，单纯将矢量网络分析仪的测量值与仿真结果相比较不足以排除非工作模式和其它干扰，而本方案使用扰动探针的方法有效地解决了这一问题。

附图说明

图1为现有技术带状注速调管哑铃形单间隙谐振腔冷测装置的示意图；

图2为本发明一实施例的带状注速调管平面多间隙谐振腔冷测装置的示意图；

图3a为图2中所示腔体盖板的三维结构示意图；

图3b为图3a中所示腔体盖板的多间隙谐振腔区域的局部放大视图；

图4a为图2中所示塞块的三维外观及内部结构示意图；

图4b为图4a中所示塞块的xy截面剖视图；

图5为图2中所示扰动探针的三维结构示意图；

图6为图2中所示同轴探针的外观及局部剖视图；

图7为仿真得到的如图2所示平面多间隙谐振腔中插入扰动探针后的电场矢量分布；

图8为仿真得到的如图2中所示对平面多间隙谐振腔冷测时的双端口传输曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图2是本发明一实施例的带状注速调管中平面多间隙谐振腔模式判别和测试的装置。如图2所示，一实施例的装置包括腔体盖板1(两件，图2中另一件未绘出)、塞块2、扰动探针3、同轴探针41和42，其中同轴探针41和42为半刚性，分别通过波导同轴转换器和电缆与矢量网络分析仪5相连。实际中，由两件内部结构完全相同的腔体盖板1拼合形成主体结构，在该主体结构中形成谐振腔、电子注漂移通道和位于谐振腔一侧的矩形槽道15。扰动探针3通过螺孔旋入塞块2内部，塞块2插入由两件腔体盖板1对合组成的被测试结构的矩形槽道15内，并在外部端面使用螺钉固定压紧。同轴探针41和42分别从谐振腔两侧的漂移通道内伸入，靠近谐振腔最外侧直波导间隙的边缘，作为激励和接收的同轴探针(二者可以互换)测量谐振腔的频率响应特性，例如S参数。为保证良好的导电性，腔体盖板1和塞块2由无氧铜材料制成。图2中所示的平面三间隙谐振腔与实际带状注速调管高频结构的谐振腔相对应。需要说明的是，实际器件的高频电路往往包含更多个谐振腔，而且各谐振腔的直波导间隙数也可能多于三个，这里为清晰起见，只绘出了一个包含三个直波导间隙的谐振腔的结构，即三间隙谐振腔。另外，谐振腔的直波导间隙数也可以是一个，此时的谐振腔就是单间隙谐振腔。对单间隙、或者具有两个及以上多个直波导间隙的谐振腔的高频结构进行冷测时，原理及装置与下文中所述相同。矩形槽道15的第一端面与谐振腔的两侧空腔其中之一相连通，矩形槽道15的第二端面延伸至腔体盖板1的端部；电子注漂移通道沿垂直于直波导间隙方向贯穿谐振腔，形成矩形通道。其中矩形槽道15的第一端面是指矩形槽道15与谐振腔的两侧空腔其中之一相连通的交接处。

如图3a和图3b所示，将两块相同的腔体盖板1对合起来就构成了平面多间隙谐振腔，下面对腔体盖板1的内部结构(相当于二分之一的完整腔体)进行说明。11为沿电子注运动方向(z方向)的矩形漂移通道，它贯穿平面多间隙谐振腔。12和13为谐振腔两侧较大的空腔结构，二者的形状和尺寸完全相同，谐振腔的腔体一侧的空腔13与矩形槽道15相邻接，塞块2插入矩形槽道15并与矩形槽道15的第一端面抵紧后，即形成封闭空腔13的侧壁。直波导间隙14连接谐振腔中两侧空腔12和13，直波导间隙14的宽度和相邻直波导间隙14之间的周期长度取决于速调管的工作参数。螺孔16中可旋入螺钉，用于将塞块2压紧在腔体结构上，确保塞块2的达到矩形槽道15的第一端面的一端与矩形槽道15的第一端面相紧贴，密封矩形槽道15的第一端面，从而将谐振腔封堵起来形成环绕电子注通道的闭合结构，有效降低损耗提高腔体参数的测量精度。塞块2上除与矩形槽道15的第一端面相接的端面外，并不要求其余四个面与槽道的四个面严格地紧密接触，二者滑配即可。

上述哑铃形的平面多间隙谐振腔的工作原理可简述如下。如设f₁为中间直波导的基模截止频率，f₂为两端矩形腔(两侧的空腔结构)的基模谐振频率，则当f₁＞f₂时，中间直波导处于截止状态，哑铃形谐振腔实际上成为两个分离的矩形谐振腔，此时腔体中电场E_z分量沿着x方向的分布为中间低、两端高的状态。但是当f₁＜f₂时，中间直波导处于导通状态，此时哑铃形谐振腔可以近似为普通的矩形腔(相当于中间直波导的两端封闭)，因此腔体中电场E_z分量沿着x方向的分布为中间高、两端低的状态。于是，可以预期对于f₁≈f₂的临界状态，谐振腔的直波导间隙中的E_z场量沿x方向的分布将是接近均匀的，这对应所要求的腔体工作状态。

如图4a和图4b所示，塞块2为内部开孔的′T′形结构，矩形块21插入腔体盖板1的矩形槽道15中，二者的尺寸紧密配合；在塞块2的端部22上对称地开有两个通孔24，在将塞块2的矩形块21滑配插入腔体盖板1的矩形槽道15中之后，通孔24能够与腔体盖板1上的螺孔16对正，这时可使用一定长度的螺钉穿过通孔24旋入螺孔16内，除了起到将塞块2固定在腔体盖板1上的作用外，更重要的是保证矩形块21的端部与矩形槽道15的底面贴紧，以确保二者实现良好的表面接触；此外，塞块2的中部开有贯通的圆槽23与扰动探针3相配合。

如图4b和图5所示，在塞块2内部贯通的圆槽23依次包括螺纹孔231、圆孔232、锥形孔233和探针孔234，所有这些结构必须严格位于同一轴线上，并且要求轴线与矩形块21的端面垂直；相应地，扰动探针3依次包含螺杆31、圆杆32、锥形段33和微细探针34，依次与塞块2内部231-234的特征相配合，此外，在扰动探针3的端部开有一字槽35，用于旋动扰动探针3在螺纹孔231内运动。在结构方面，扰动探针3上圆杆32的外径应小于塞块2中的螺纹孔231的内径，同时要略小于圆孔232的内径；扰动探针3上锥形段33的锥角略小于塞块2中锥形孔233的锥角，同时探针34的外径略小于探针孔234的内径。考虑到微细探针34的直径通常不大于0.2mm，因此，塞块2中的锥形孔233起到引导微细探针34顺利穿入探针孔234中的作用，这样可以避免突变结构造成微细探针34折断的问题。塞块2中的探针孔234应具有一定的长度，起到对微细探针34进行限位和导向的作用，确保其沿着垂直于矩形块21端面的方向进入腔体内。合理设置扰动探针3所包含螺杆31、圆杆32、锥形段33和微细探针34的长度，保证在螺杆31的有效行程内，微细探针34能够从矩形块21的端面开始从零连续地进入到腔体内一定的位置处。

如图6所示，同轴探针41和42二者的结构完全相同且可以互换，分别用于激励和探测所述谐振腔内的模式场，下面以同轴探针41为例进行说明。同轴探针41由位于外部的金属圆柱壳体411、介质绝缘层412和位于中心的金属丝413组成，金属丝413的端部超出壳体411和绝缘层412一定距离，以便更好地激励和接收轴向电场(沿z向，对应工作模式和相邻的轴模)的信号。实际使用中，最好在同轴探针41的金属壳体411外表面覆盖绝缘材料，此时，同轴探针总的外径尺寸应小于电子注漂移通道的窄边高度(沿y向，参考图2和图3a)。因为电子注漂移通道沿宽边(x向)和窄边(y向)的尺寸不相等，且宽边尺寸远大于窄边，因此当圆形的探针插入漂移通道时，与之冲突的尺寸是窄边高度。同轴探针41和42在工作频段内的驻波比、阻抗和信号衰减应满足使用要求。

对谐振腔中的模式进行判别和测量时，所依据的物理原理为：微小金属体将引起局部区域电场和磁场分布的改变，对电场的扰动使得谐振频率降低，对磁场的扰动使得谐振频率升高，实际频率的变化趋势取决于电磁场各分量的强弱、分布以及金属体的形状和大小。如图7所示的仿真结果表明，由平面三间隙腔侧壁伸入中部直波导间隙的扰动探针扰动了其附近的电场分布，但整体而言各直波导间隙中的电场方向仍然保持一致，腔体2π模式未发生变化。如图8所示，仿真计算给出了冷测装置中由同轴探针测得的S参数曲线，图中的三个尖峰从左至右依次对应2π模、π/2模和π模，其中2π模为所需的工作模式(根据不同的腔体设计，也可选择π模为工作模式)。

参考图7，理论分析时可认为处于谐振腔直波导间隙中的是近似均匀的平行电场分布(沿z方向)，此时金属细针引起腔体谐振频率的变化量δf与插入深度l(指进入中间直波导间隙的长度)之间有如下的近似关系：

式中，f₀为未对腔体进行扰动前的谐振频率，形状因子s＝d/l，d和l分别为金属细针的直径和长度，E₀为未扰动时腔体中的归一化电场值，满足关系式其中ε₀为真空中的介电常数，对电场的积分区域为整个腔体。

在对腔体进行测试的过程中，首先如图2所示，安装好整个测试装置，此时应注意使得扰动探针3恰好位于塞块内部，即只要稍加旋动就会使扰动探针3的微细探针34部分进入谐振腔两侧空腔的其中之一内。之后，移动同轴探针41和42使之从两侧逐渐接近谐振腔最外侧直波导间隙的边缘(可以通过精密移动装置实现)，此时通过矢量网络分析仪5可以观察到具有多个尖峰的S12曲线，这些尖峰可能来自于谐振腔腔体内的多个谐振模式或者其它干扰，反复调节同轴探针41或42相对于谐振腔直波导间隙边缘的位置，尽可能地排除掉时有时无且不稳定的干扰信号，找到能够激励和检测到形状和分布稳定的传输曲线时(尖峰所在位置基本固定不变)的同轴探针41或42位置并固定下来。接下来，借助工具旋动扰动探针3的尾部使得其微细探针34进入谐振腔腔体内，根据分析可知微细探针34的扰动仅会引起谐振腔腔体工作模式(2π模或π模)的频率呈现出近似线性降低的变化，于是可据此区分出与工作模式对应的尖峰，在这一过程中，仔细记录扰动探针3旋转的圈数以确定微细探针34进入谐振腔腔体内的长度(如M2螺纹的螺距为0.4mm/圈)。在此基础上，可以指导后续加工时通过局部微调谐振腔腔体的某些尺寸，使得与工作模式对应的尖峰频率满足设计要求。

此外，该实施例对各零件和方法的定义并不仅限于本实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行一定的更改或替换，具体叙述如下。

(1)本发明的装置中仅涉及了速调管中间腔的结构。在速调管的应用中，还需要使用输入、输出腔。一般输入、输出腔是在谐振腔上与槽道15相对的另一侧上开设耦合口，通过该偶合口与外接波导相连，就形成了具有波导的输入、输出腔。对具有波导的输入、输出腔的测试可使用单端口法，此时可以省去同轴探针41和42，直接通过波导端口连接矢量网络分析仪5，由群时延曲线确定工作模式的频率和外部品质因数。对于外部品质因数较大的非工作模式，由于其能量主要集中在腔体内，因此群时延曲线上的尖峰较少，但仍然会出现由寄生模式或干扰引起的尖峰，这同样需要借助使用前述扰动探针3的扰动法进行判别和排除。

(2)如图4b所示，塞块2内的圆槽的结构复杂，一次成形的加工难度较大，为了降低难度节约成本，也可将塞块2做成两体结构拼装，将包含锥形孔233和探针孔234的端部作为一部分，剩余的结构作为另一部分，之后将两个分别加工好的零件通过紧配合的插隼结构连接起来，通常不需要额外焊接。

(3)如图5所示，扰动探针3中的微细探针34与其余结构尺寸相差悬殊，直径比可达10倍以上，一体加工成形难度较大，因此，也可将扰动探针3分为两体加工，微细探针34作为单独的一部分，其余尺寸相近的螺杆31、圆杆32和锥形段33作为另一部分，在锥形段33的前端加工出具有一定深度的沉孔，之后将单独加工的微细探针34插入锥形段33的沉孔内拼装出完整的扰动探针3，为保证可靠连接，二者之间应进行锡焊。可采用高强度的工具钢作为扰动探针3(尤其是微细探针34)的材料，以保证整体结构不易变形弯曲，从而提高测量结果的准确度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。