一种新型回旋行波管输入耦合器的制作方法

本发明属于微波、毫米波器件技术领域，具体涉及一种新型回旋行波管输入耦合器及其设计方法。

背景技术：

在回旋行波管中，输入的电磁波与作螺旋运动的电子发生相互作用，这时由于相对论负质量效应的影响，电子注在横向形成角向群聚，并且继续向前螺旋运动到达高频互作用区落入减速场。在高频减速场中，电子注部分能量转换给高频场，实现高频场的放大，从而在输出端得到高功率微波、毫米波。

回旋行波管输入耦合器是一种耦合输入装置，它的作用是将前级放大器输出的微波信号，通过模式变换结构转化为回旋行波管中的工作模式，从而把微波信号输入回旋行波管。当输入耦合器的性能较差时，由于回旋行波管高增益特性，不仅回波会对前级放大器造成一定的损坏，而且输入模式的纯度低对回旋管的输出功率、效率和增益产生较为显著的影响，严重情况会使回旋行波管无法工作。因此对输入耦合器的优化十分必要。传统的回旋行波管输入耦合器如图5所示，由截止圆波导、输出圆波导、同轴结构和矩形输入波导组成，其中同轴结构内导体上设置有若干个耦合缝隙。输入信号TE10模从矩形输入波导输入到同轴结构，TE10模式在同轴腔内转化为TEmn1模式，TEmn1模式通过同轴腔内导体的耦合缝隙输入到输出圆波导中，同时模式由TEmn1模式转换成输出圆波导中的TE01模式，从而为回旋行波管提供工作所需的圆波导TE01模式。但是这种结构通常在频带的高端反射大，传输率低，进而导致带宽较窄。不能满足宽频带的要求。

技术实现要素：

为了消除传统回旋行波管输入耦合器输入矩形波导与同轴腔之间的反射，扩展输入耦合器的带宽，增加微波传输效率。本发明提出了一种新型回旋行波管输入耦合器，在传统的回旋行波管的基础上，在矩形输入波导E面设置一个短路分支波导。通过合理设计短路分支波导的位置和结构参数，可以有效的抵消输入耦合器的反射，增加高频端的传输效率，从而有效扩展输入带宽。

本发明具体技术方案如下：

一种新型回旋行波管输入耦合器，其结构如图1，2所示。包括同轴结构、分别设置于同轴结构两端的截止圆波导与输出圆波导、以及设置于同轴结构侧面的矩形输入波导，其中同轴结构内导体上设置有若干个耦合缝隙，其特征在于：矩形输入波导E面设置有短路分支矩形波导。

矩形波导TE10模作为输入信号由矩形输入波导进入到同轴结构的内外导体之间，信号模式由矩形波导TE10模转变成同轴腔内的TE411模。同轴TE411模经过同轴结构内导体的耦合缝隙输入到输出圆波导中，同时将模式变换为圆波导TE01模，输出圆波导为回旋行波管提供所需要的TE01模输入信号。

背景技术中的矩形波导输入信号在输入到同轴腔时，由于结构形式的变化不可避免地产生反射，使得输入耦合效率降低，这对回旋管的输出功率、效率和增益产生较为显著的影响。同时还可能缩减带宽，降低带内增益平坦度，严重情况会使回旋行波管无法工作。本发明通过在矩形波导的宽边设置短路分支波导，利用等幅反相叠加原理，使同轴的反射波与矩形短路分支的反射波相互抵消，从而减少来自同轴结构的反射波，达到提升模式纯度，扩展工作带宽的有益效果。

与传统的回旋行波管输入耦合器相比，本发明引入短路分支波导来吸收输入信号的反射波；通过调整短路分支波导的窄边长度，纵向长度和距离同轴腔的距离，来满足反射波的与短路分支波导的波的相位反向和相等幅值的条件，从而将反射波吸收，进而实现工作频带的展宽。

附图说明

图1是本发明提供的回旋行波管输入耦合器的剖面图的正视图。

图2是本发明提供的回旋行波管输入耦合器的剖面图的俯视图。

图3是本发明提供的回旋行波管输入耦合器的原理示意图。

图4是本发明实施例提供的新型回旋行波管输入耦合器与传统回旋行波管输入耦合器的测试得出的S11参数对照图。

图5是回旋行波管传统输入耦合器结构三维模型示意图。

具体实施方式

下面结合设计实例及附图对本发明作进一步的详细阐述。

本实施例提供了一个工作在Ku波段、TE01模的回旋行波管输入耦合器，其技术指标要求如下：

主波导工作模式：圆波导TE01模。

输入信号模式：矩形波导TE10模。

工作频段：Ku波段，即12.4GHz-18GHz。

标准矩形波导型号：BJ180，宽边尺寸12.954毫米，窄边尺寸：6.477毫米。

本实施例提供的回旋行波管输入耦合器结构如图1、图2所示，主要结构及具体尺寸如下所示：1为同轴腔结构，其内导体内半径为12.3mm，厚度0.5mm，外导体内半径为16mm，内外导体之间空隙的长度为14mm；2为截止圆波导，半径为10mm，长度为10mm；3为输出圆波导，内半径为12.3mm，长度为21.88mm；4为输入矩形波导，采用标准矩形波导型号BJ180，宽边12.954mm，窄边6.477mm，长度20.33mm；5为短路分支波导，宽边12.954mm，窄边4mm，长度16mm；6为内导体耦合缝隙，宽度0.8mm，长度8mm，距离同轴内导体上、下边沿长度均为3mm，共计4个耦合缝隙，第一个耦合缝与矩形输入波导中心夹角为45度，相邻耦合缝夹角为90度。

设从A点出射经过同轴内导体反射后回到A点波的相位为则

同轴结构处产生的反射场E1可表示为

波进入短路分支波导回到A点时的相位设为

短路分支波导中的反射场E2可表示为

要使传输增强，反射降低，需

E1+E2＝0 ⑸

若要反射波与分支波导出射波相抵消，则相位条件为

幅值条件为

Er1＝Er2 ⑺

其中，为A点出射经过同轴内导体反射后回到A点电磁波的相位，k_z1为矩形输入波导的传播常数，L₁为从A点到同轴结构电磁波传播的距离，θ为波在同轴结构反射时产生的相移的角度，k_z2为短路分支波导的传播常数，L₂为短路分支波导的长度，ω为电磁波的角频率。Er1为同轴结构处产生的反射场的幅值，Er2为短路分支波导中的反射场的幅值。为电磁波进入短路分支波导回到A点时的相位。

Er1决定于已定的同轴结构，不可更改。而Er2决定于短路波导的窄边宽度b的取值。设计通过优化窄边宽度b的取值可满足等幅反相要求。

本实例提供的新型回旋行波管输入耦合器和一般型回旋行波管输入耦合器的反射系数测试结果如图4所示；由图可以知道该新型回旋行波管输入耦合器工作在15GHz—17.4GHz内的反射系数大于-8dB，其中2dB带宽为1.96GHz，传统结构2dB带宽为1.3GHz，相对于传统结构带宽增量约为50％；3dB带宽为2.12GHz，传统结构3dB带宽为1.66GHz，相对于传统结构带宽增量约为27.7％。