一种基于分段串联式慢波系统的螺旋线行波管的制作方法

本实用新型涉及真空微波电子器件领域。更具体地，涉及一种基于分段串联式慢波系统的螺旋线行波管。

背景技术：

行波管是一种动能换能器件，通过电子注和微波信号进行能量交换来实现微波信号的放大，这种能量变换只有在电子注速度与微波信号传播速度接近的条件下才能实现。在自由空间中微波信号的传播速度接近光速，因此必须采取措施减慢微波的传播速度，所采用的方法是使微波信号沿慢波线传输，从而使电子注的速度接近与其进行能量交换的微波信号的速度。所谓慢波线就是在行波管电子枪中沿电子注运动方向呈螺旋状绕制的一条螺旋线，常用钨丝或钼丝制成，至今仍被广泛应用在行波管设计中，其突出优点是频带宽。螺旋线是一种弱色散慢波结构，其线路波相速随频率变化很小。行波管根据工作频带不同，有宽带和窄带之分。而宽带行波管又根据工作的带宽大小，分为不同频段，比如2-6GHz、6-18GHz、18-40GHz等。在现有技术中，通过金属翼片加载可以实现1.5-2倍频程的频带内的工作。

行波管在结构上包括电子枪、慢波系统、聚焦系统和收集极等部分。其中，慢波系统包括输入耦合器、螺旋线和输出耦合器。电子枪的作用是形成符合设计要求的电子注。聚焦系统使电子注保持所需形状，保证电子注顺利穿过慢波电路，并与微波场发生有效的相互做用，最后由收集极接收电子注。待放大的微波信号经输入耦合器进入慢波电路，并沿慢波电路行进。输入的微波信号在慢波电路建立起微弱的电磁场，电子注进入慢波电路互作用区以后，首先受到微波场的速度调制。电子在继续向前运动时逐渐形成密度调制。大部分电子群聚于减速场中，而且电子在减速场滞留时间比较长。因此电子注动能有一部分转化为微波场能量，使微波信号得到放大。放大后的微波信号经过输出耦合器送至负载。

如图1所示，现有的螺旋线行波管都是由电子枪11、一个慢波结构12、聚焦系统13和收集极14组成的，通常只有一个工作电压，实现相应频带内的工作。在整机系统要求多频带工作的情况下，一般采用在整机内设置多个行波管的工作方式。这种工作方式需要给该多个行波管分别供电，并需要为每一个行波管分别配置一套供电电源及输入输出耦合系统，系统制造成本高、系统体积较大。

因此，需要提供一种慢波系统，可实现在一支行波管上的多频、多点工作，降低多频带、多信号行波管信号放大系统的制造成本，减小系统的体积。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于串联式慢波系统的螺旋线行波管，以提供一种具有多个工作频带、可对多个信号同时放大的行波管，减少多频带、多信号行波管信号放大系统的制造成本和系统体积。

为解决上述技术问题，本实用新型采用下述技术方案：

本实用新型公开了一种基于分段串联式慢波系统的螺旋线行波管，该螺旋线行波管包括：电子枪、慢波系统、聚焦系统和收集极，其特征在于，

该慢波系统包括至少两段串联式耦合的慢波结构，每一段慢波结构分别包括输入耦合器、螺旋线和输出耦合器。

优选地，该螺旋线行波管进一步包括位于相邻两段慢波结构间、用于调制电子注的过渡区。

优选地，所述过渡区包括磁场调制过渡区，过渡区的磁场强度沿电子注运动方向增加。

优选地，所述过渡区包括用于引入对电子注进行加速的电压的外接电极。

优选地，相邻两段慢波结构中，靠近电子枪一侧的慢波结构的工作频率高于远离电子枪一侧的慢波结构的工作频率。

优选地，靠近电子枪一侧的慢波结构的电子注通道半径小于远离电子枪一侧的慢波结构的电子注通道半径。

优选地，各段慢波结构的输入耦合器和输出耦合器分别与该段慢波结构的工作频率相匹配。优选地，所述慢波结构包括串联式耦合的第一段慢波结构和第二段慢波结构；

所述第一段慢波结构位于靠近电子枪一侧，用于放大高频信号；

所述第二段慢波结构用于放大低频信号。

优选地，各段慢波结构的输入耦合器同时或分别输入微波信号。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提出了一种分段串联式高频结构的螺旋线行波管，在一支行波管上，通过两个以上工作频带的行波管慢波结构的串联，拓宽了一支行波管的工作带宽，实现了一支行波管多频、多点工作。根据本实用新型的行波管通过集成多个不同频带的慢波结构，实现了现有技术中必须采用多个行波管实现的功能，通过减少阴极使用数量和收集极的使用数量，极大地减少了多频带、多信号行波管信号放大系统的制造成本和体积，同时降低了整机制造和使用成本，可有效缩减整机尺寸。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有的行波管的结构示意图。

图2示出本实用新型一种基于分段串联式慢波系统的螺旋线行波管实施例一的结构示意图。

图3示出本实用新型一种基于分段串联式慢波系统的螺旋线行波管实施例一的第一段慢波结构的结构示意图。

图4示出本实用新型一种基于分段串联式慢波系统的螺旋线行波管实施例一的第二段慢波结构的结构示意图。

图5示出本实用新型一种基于分段串联式慢波系统的螺旋线行波管实施例二的结构示意图。

附图标记：

11、电子枪，12、慢波结构，13、聚焦系统，14、收集极；

21、电子枪，22、慢波系统，23、聚焦系统，24、收集极，010、第一段慢波结构，020、第二段慢波结构，011、第一段慢波结构的输入耦合器，012、第一段慢波结构的螺旋线，013、第一段慢波结构的输出耦合器，021、第二段慢波结构的输入耦合器，022、第二段慢波结构的螺旋线，023、第二段慢波结构的输出耦合器；

31、电子枪，32、慢波系统，33、收集极，34、外接电极，35、第一过渡区，36、第二过渡区，321、第一段慢波结构，322、第二段慢波结构。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。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，不应以此限制本实用新型的保护范围。

实施例一

如图2、图3和图4所示，为本实用新型一种基于分段串联式慢波系统的螺旋线行波管的一个具体实施例，该螺旋线行波管包括：电子枪21、慢波系统22、聚焦系统23和收集极24。其中，慢波系统22包括两段串联式耦合的第一段慢波结构010和第二段慢波结构020，每一段慢波结构分别包括输入耦合器011、021、螺旋线012、022和输出耦合器013、023，所述输入耦合器和输出耦合器优选的分别与该段慢波结构的工作频率相匹配。电子枪21可用于形成符合工作要求的电子注，慢波系统22用于对两个不同频带内的信号分别进行放大或对两个信号同时进行放大，聚焦系统23用于保持电子注的收敛形状，保证电子注可以顺利通过慢波系统并与待放大的信号进行相互作用，收集极24用于接收电子注。

本实施例的螺旋线行波管进一步包括位于相邻两段慢波结构间、用于调制电子注的过渡区25。所述过渡区25优选为磁场调制过渡区，可由多个例如大小不完全相同的磁系统组成，磁系统产生的磁场强度沿电子注运动方向由弱变强，可用于使电子注收敛，从而使电子注能够顺利通过之后各段慢波结构，到达收集极24。过渡区25的设置也用于连接第一段慢波结构010和第二段慢波结构020，作为两段串联式耦合连接的慢波结构的结构过渡区。

在螺旋线行波管中，电子注的通道半径与该段慢波结构的工作频率呈反比，频率越高，通道半径越小，频率越低，通道半径越大。对于本实施例的螺旋线行波管的两段慢波结构，设置靠近电子枪21一侧的第一段慢波结构010的工作频率高于远离电子枪21一侧的第二段慢波结构020的工作频率，靠近电子枪21一侧的第一段慢波结构010的通道半径小于远离电子枪21一侧的第二段慢波结构020的通道半径，从而使得在小孔径、工作频率高的一段慢波结构内相互作用完毕的发散电子能够更容易通过后端大孔径、工作频率低的慢波结构，最后到达收集极24。如图3和图4所示，为本实施例中串联式耦合连接的第一段慢波结构010和第二段慢波结构020。其中，所述第一段慢波结构010位于靠近电子枪21一侧，可用于放大高频段频带内的微波信号，所述第二段慢波结构020可用于放大低频段频带内的微波信号。

本实施例的螺旋线行波管在工作中，当需要对高频带内的信号进行放大时，启用行波管的第一段慢波结构010进行工作。为行波管供电，由电子枪21发射电子注，使电子注通过第一段慢波结构010。第一段慢波结构010通过其输入耦合器011输入待放大的高频信号。待放大的高频信号经输入耦合器011进入慢波结构的螺旋线012区域，沿螺旋线012行进，并在慢波结构中建立起微弱的电磁场。电子枪21发射的电子注进入到慢波结构互作用区后，受到高频信号产生的电磁场的速度调制，电子注在继续运动时逐渐形成密度调制，大部分电子群聚于与电磁场作用产生的减速场中，且电子在减速场滞留的时间比较长，因此电子注的动能有一部分转化为电磁场的能量，使高频信号得到放大，放大后的高频信号经过输出耦合器013输出至负载。而能量交换完的电子注通过第二段慢波结构020，到达收集极24。这时第二段慢波结构020只作为过渡段使用，通过聚焦系统23磁场调制电子注保证电子注顺利通过第二段慢波结构020到达收集极24。

当需要对低频带内的信号进行放大时，启用行波管的第二段慢波结构020进行工作。此时第一段慢波结构010作为过渡区25，所述第一段慢波结构010、保证电子注可以无发散的到达第二段慢波结构020。第二段慢波结构020由其输入耦合器021输入低频信号，使低频信号产生电磁场，并与第一段慢波结构010传输的电子注进行相互作用和能量交换，从而放大低频信号，并将放大后的低频信号经第二段慢波结构020的输出耦合器023输出至负载。电子注由收集极24接收。因此，本实用新型的螺旋线行波管可分别通过第一段慢波结构010和第二段慢波结构020对高频信号和低频信号进行放大，从而实现一支行波管的双频段工作。可根据实际需要的行波管的工作频带将慢波系统22扩展为多段串联式耦合的慢波结构，考虑电子注在一段慢波结构中与信号互作用完毕时的电子速度及电子的发散情况，必要时增加过渡区进行电子注调制。可以理解，本领域技术人员可根据需要，将慢波系统设计为包括三段或更多段慢波结构。当慢波系统包括三段以上串联式耦合的慢波结构时，各慢波结构可同时对输入信号进行放大，或可根据需要，选择其中的一些慢波结构对输入信号进行放大。

实施例二

如图5所示，为本实用新型一种基于分段串联式慢波系统32的螺旋线行波管的另一个具体实施例，本实施例与实施例一的区别在于本实施例中螺旋线行波管的相邻两段慢波结构间设置了外接电极34，外接电极34用于引入对电子注进行加速的电压，从而使所述螺旋线行波管可以满足多个工作电压的需求，对电子注进行多次加速以满足各段慢波结构对电子注初速度的要求，实现多点工作。当螺旋线行波管的相邻两段慢波结构间不设置外接电极34时或外接电极34不引入电压时，螺旋线行波管进行单点工作，即对电子注进行一次加速。所述外接电极34可设置于过渡区中，优选的，在所述外接电极34前和/或后还可设置一个磁场调制过渡区，本实施例中，在所述外接电极34前和后分别设置了一个磁场调制过渡区，即第一过渡区35和第二过渡区36。

本实施例中行波管通过过渡区引入外接电极34，并在外接电极34前后分别设置第一磁场过渡区35和第二磁场过渡区36，共同形成过渡区。行波管的工作电压是使电子注速度与微波信号沿慢波线传播速度同步时的电压，一般行波管工作电压只有一个，本实用新型引入了一支行波管多点工作的概念，即一支行波管有多个工作电压。在第一工作电压下，第一段慢波结构321对电子注进行加速，并与信号进行相互作用。然后，电子注通过过渡区和第二段慢波结构322的聚焦系统重新调制电子注，使电子注顺利到达收集极33。这时行波管的工作点为第一段慢波结构321的工作电压。当需要采用第二工作电压对电子注进行加速时，第一段慢波结构321保证电子注可以通过第一段慢波结构321和第一过渡区35到达外接电极34。外接电极34引入第二工作电压对电子注进行二次加速，使电子注达到第二段慢波结构322需要的电子注的初速度。电子注再经过第二过渡区36的调制，进入第二段慢波结构322，与第二段慢波结构322引入的输入信号进行相互作用，最后到达收集极33。第二段慢波结构322通过输出耦合器输出放大后的信号。需要说明的是，当在相邻两段慢波结构间引入外接电极34时，可设置靠近电子枪31一侧的一段慢波结构的工作频率低于远离电子枪31一侧的一段慢波结构。当电子注通过工作频率低、电子注通道半径大的一段慢波结构后，通过调节外接电极34的电压，对电子注进行调制，使电子注收敛以顺利通过工作频率高、电子注通道半径小的一段慢波结构，最后到达收集极33。在高频系统间采用外接电极34或磁调制过渡区的情况下，行波管可以采用相同的通道半径，以降低行波管管壳的加工难度。可根据实际需要的行波管的工作频带将慢波系统32扩展为多段串联式耦合的慢波结构，考虑电子注在一段慢波结构中与信号互作用完毕时的电子速度及电子的发散情况，必要时增加过渡区进行电子注调制和/或引入外接电极对电子注再次加速。可以理解，本领域技术人员可根据需要，将慢波系统设计为包括三段或更多段慢波结构。当慢波系统包括三段以上串联式耦合的慢波结构时，各慢波结构可同时对输入信号进行放大，或可根据需要，选择其中的一些慢波结构对输入信号进行放大。

本实施例中其他结构与实施例一中类似，在此不再赘述。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，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，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。