一种用于带状注交错栅行波管的输能耦合结构的制作方法

1.本发明涉及微波真空电子器件领域，具体涉及毫米波/太赫兹带状注行波管。


背景技术：

2.毫米波/太赫兹技术在未来通讯、成像、雷达等领域有重要应用价值。目前制约其发展的主要障碍是缺乏结构紧凑、功率水平适中的宽带相干辐射源。行波管是一种真空电子器件，可实现毫米波/太赫兹信号的产生或放大。相比于其它类型的器件，行波管是目前少数在毫米波及太赫兹频段同时具备宽频带、高增益、大功率能力、且结构紧凑的器件之一。传统体制的行波管器件受限于尺寸共渡效应——随着频率升高，输出功率随频率的平方减小，极大限制了行波管工作在高频率段的能力。带状电子注技术是克服这一难题的有效技术途径，目前是太赫兹真空电子器件领域的研究热点之一。
3.交错栅慢波结构是一种适用于带状电子注行波管高频系统的全金属慢波结构，具有功率容量大和宽频带的优势。尽管交错栅慢波结构的固有性能优异，特别是具备宽频带放大能力，其相对带宽理论上可以达到30％。常规的带状注交错栅行波管的慢波结构如图1所示，矩形波导1中设置有交错栅结构2以及在栅结构端面间形成的带状电子注通道3。由于这种慢波结构的电磁波传输路径与电子注传输路径无法自然分离，因此在实际器件中必须精心设计输入和输出耦合结构，以实现对电磁波信号的有效馈入和提取。
4.现有技术中常用的输能耦合系统为h面耦合系统，如图2所示，引入/引出波导的设置方向与磁场系统平面平行，且从上下两磁场平面中间引出，输能耦合结构与磁场系统互不影响。然而，h面耦合结构需要极为复杂的过渡设计，包括慢波结构侧的端部渐变设计、输能波导侧的匹配设计以及电子枪侧的隔离器设计。最终，满足性能要求的输能耦合系统往往长度过大且结构复杂。
5.由于带状电子注传输特性复杂、难以稳定的长距离传输，因此带状注行波管设计希望行波管在电子注行进的轴向方向尽可能短，以最大限度减小电子注截获。因而，过长的耦合系统是不希望的。这也是目前带状注行波管研制中，研究人员一直在致力于解决的关键问题之一。此外，过于复杂的结构会带来加工实现上的困难。特别是在太赫兹频段，电性能设计上的最佳尺寸在实际加工中往往难以严格实现，这导致实际结构的性能难以达到设计预期。因而，从加工工艺和性能的实现方面讲，耦合系统的结构也需要尽可能简单。
6.因此，需要提供一种长度短、结构紧凑、性能满足实用要求的带状注交错栅行波管输入输出耦合结构。


技术实现要素：

7.为实现上述目的，本发明提供了一种用于交错栅行波管的输能耦合结构，该结构包括
8.三分支波导耦合结构，包括沿电子注行进方向设置的第一分支波导和第二分支波导以及用于微波传输的第三分支波导；和
9.在第三分支波导中沿波导高度方向设置的至少一个脊加载，
10.其中，各分支波导具有相同高度，所述脊加载的高度为波导高度的10
‑
30％。
11.优选地，所述至少一个脊加载靠近三分支波导交汇区设置。
12.优选地，所述至少一个脊加载关于第三分支波导宽度中心线对称设置。
13.优选地，该耦合结构为行波管输入耦合结构，进一步包括在行波管电子枪侧分支设置的反射器。
14.优选地，该耦合结构为行波管输出耦合结构，进一步包括在行波管收集极侧分支设置的反射器。
15.优选地，该耦合结构被设计为与行波管慢波结构波导直接耦合。
16.优选地，所述脊加载与所述波导一体化形成。
17.优选地，所述脊加载为调谐钉，通过设置在波导宽边上的通孔可调节地设置在该耦合结构中。
18.本发明进一步涉及一种交错栅行波管，包括电子枪、输入耦合结构、高频系统、输出耦合结构和收集极，所述输入耦合结构和输出耦合结构为如上所述的输能耦合结构，输入耦合结构和输出耦合结构分别与高频系统的慢波结构直接耦合。
19.优选地，该行波管进一步包括磁聚焦系统，所述输入耦合结构和输出耦合结构的微波分别平行于磁聚焦系统平面输入和输出
20.本发明提供的一种基于三分支波导耦合器的行波管输能耦合结构，通过在三分波导交汇区域设置脊加载，提供了一种轴向长度短、结构紧凑、性能满足设计要求的用于带状注交错栅行波管的h面输能耦合结构。在不使用复杂过渡结构的情况下，同时实现匹配、反射和隔离的良好特性，解决现有耦合结构不能同时满足h面引出、结构简单紧凑、性能优异的难题。在采用一个脊加载和一个布拉格反射器的情况下，可以实现20ghz带宽范围内，匹配优于
‑
20db。同时由于脊的位置处于三分支波导中间部分，不增加耦合结构两端的长度，相比于现有输能结构长度可以至少缩短3个慢波结构周期。对于行波管整体而言，输入耦合结构和输出耦合结构一起可以缩短6个慢波周期的长度，可显著减小行波管的尺寸。
附图说明
21.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：
22.图1示出常规交错栅行波管的慢波结构示意图；
23.图2示出现有技术交错栅行波管的输能耦合结构示意图；
24.图3示出根据本发明第一实施方式的输能耦合结构示意图；
25.图4示出根据本发明实例1的输能耦合结构示意图；
26.图5示出根据本发明对比例2的输能耦合结构示意图；
27.图6示出根据本发明第二实施方式的输能耦合结构示意图；
28.图7示出根据本发明输能耦合结构的s参数性能示意图。
具体实施方式
29.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。
30.需要说明的是，为便于理解，本文图1以剖视部分示意性示出交错栅行波管慢波结构中波导的金属部分，图2
‑
6以线条包围部分示出行波管波导的真空部分。
31.图2示出现有技术交错栅行波管的输能耦合结构200示意图。该耦合结构为三分支波导耦合结构，包括用于电磁波输入输出的波导分支210，该分支波导截面以201标示；慢波结构分支220；和行波管电子枪或收集极侧分支230，该分支截面以203标示。慢波结构分支和电子枪或收集极分支的延伸方向为电子注通道的方向，也称为行波管的轴向。输入输出波导与慢波结构波导通过沿轴向设置的阶梯状渐变波导221耦合，实现性能参数和结构尺寸的匹配。输入输出波导与电子枪或收集极侧波导的耦合结构包括垂直于电子注通道设置的多个布拉格反射器231，用于反射和隔离输入或输出电磁波向电子枪或收集极的传输。如图所示常规三分支波导结构，输入输出波导的端面201的高度大于波导截面203的高度，并通过渐变波导221与慢波结构波导匹配。
32.理想情况下，希望电磁波输能波导与慢波结构波导实现匹配，同时二者都与电子枪或收集极结构隔离。例如，要求耦合结构的反射特性：s
11
,s
22
<
‑
10db；隔离特性：s
31
,s
32
<
‑
10db。为了实现隔离特性，在电子枪或收集极侧设置反射器231。反射器的原理是模拟传输线的开路负载，形成等效电边界，从而对电磁波信号实现全反射。然而单级反射隔离器通常不能在满足隔离特性的同时又兼顾匹配特性，即尽可能保证从慢波结构一侧来的信号反射后沿着输能一侧传输，而从输能侧来的信号反射后向慢波结构侧传输。为此，通常的做法是采用多级反射器设置，如图2所示的多个布拉格反射器。这就使得电路长度增加。因此，现有技术的输能耦合结构存在轴向长度过大且结构复杂的问题。
33.图3示出根据本发明第一实施方式的交错栅行波管的输能耦合结构300示意图。该耦合结构为三分支波导耦合结构，包括用于电磁波输入输出的波导分支310，其波导截面以301标示；慢波结构分支320，其波导截面以302标示；和行波管电子枪或收集极侧波导分支330，其波导截面以303标示。慢波结构分支和电子枪或收集极分支的延伸方向为电子注通道的方向。耦合结构300在三个分支具有相同的高度，且在三分支的交互区域沿高度方向设置有脊加载311。脊加载可以是凸起的圆脊，也可以是其他形状的脊加载，可以与一侧波导一体形成。通过设置该脊加载，可以降低波导的介质频率，由此改善输能分支和慢波结构分支的传输匹配特征。优选脊加载的中心位于输能波导宽边中线上，位于输能波导侧。脊加载的高度优选是耦合结构高度的10
‑
30％。脊加载的大小和个数可以根据隔离耦合结构的性能参数设计决定，来获得匹配效果和隔离效果的双重改善。本发明通过在耦合结构的输能波导内设置脊波导，可以省略现有技术中输能波导和慢波结构之间的渐变波导结构，显著缩小耦合结构的轴向尺寸。
34.为进一步改善反射、隔离特性，根据本发明的耦合结构在电子枪或收集极侧设置有反射器结构。因为本发明在输能波导内的脊波导起到了电磁波的隔离作用，如果需要可以只采用一个反射器，这进一步缩小了本发明耦合结构的轴向尺寸。
35.根据本发明的优选实施方式，进一步提供一种匹配性能可调谐的输能耦合结构。图6示出根据本发明第二实施方式的输能耦合结构示意图。如图所示，该耦合结构在输能波导宽度方向形成有脊孔和与脊孔匹配的调谐钉。可以在耦合结构装配时，通过调节调谐钉在波导中的深度，对耦合结构的匹配和隔离性能实现调谐，以克服电路加工、装配和焊接过
程中引入的误差及特性变化，使得到的耦合结构满足设计要求。确定好调谐钉的高度后对调谐钉进行焊接固定，得到经调谐的输能耦合结构。
36.根据本发明的再一优选实施方式，提供一种交错栅行波管，包括电子枪、输入耦合结构、高频系统、输出耦合结构和收集极，和磁聚焦系统。输入耦合结构和输出耦合结构分别为如上所述的输能耦合结构。输入耦合结构的三分支波导分别与电子枪、电磁波输入波导耦合，并与交错栅慢波结构直接耦合。输出耦合结构的三分支波导分别收集极、电磁波输出波导耦合，并与高频系统的慢波结构直接耦合。根据本发明的行波管的输入耦合结构和输出耦合结构为h面耦合结构，微波分别平行于磁聚焦系统平面输入和输出。
37.下面将以应用于电磁波输入波导、电子枪和慢波结构的输入耦合结构为例，具体说明根据本发明的结构和性能效果。
38.实例1
39.根据本发明实例1的耦合结构如图3所示，为包括输入波导分支310，慢波结构分支320和电子枪分支330的三分支耦合器。该耦合结构在三个分支的波导截面的尺寸宽度a和高度b分别为0.78mm和0.35mm，脊加载的直径r为0.37mm，高度dh为0.07mm，如图4所示，中心位于输入分支宽度的中心线上，邻近输入波导一侧。该实例的输入耦合器，例如采用两片式结构，在其中一片波导上一体加工圆柱状脊加载，以保证精度。耦合结构在电子枪一侧设置有一个布拉格反射器。输入波导宽度中心线与慢波结构入口之间的尺寸为1.28mm，是慢波结构的周期长度0.51mm的2.5倍。输入波导和慢波结构耦合部分具有弧度结构。利用电磁仿真软件cst对实例1的性能进行仿真计算。得到如图7所示结果。其中s11_a曲线表示匹配特性，即功率从波导端口馈入时的反射特性，图中在210
‑
230ghz频率范围内，反射小于
‑
20db；s21_a表示了功率的传输特性，其数值越接近零越好，表示馈入的功率几乎都传输至慢波结构方向；s31_a曲线代表了电子枪侧的隔离特性。
40.对比例1
41.不同于实例1，该对比例的耦合结构，除没有形成脊加载外，其他结构与实例1的结构相同。利用cst软件对实例1的匹配参数和隔离参数进行仿真，得到如图7中曲线s11_b所示结果。通过与s11_a比较，可以看到没有脊加载时，匹配特性明显较差。换句换说，脊加载明显改善了普通三分支波导的匹配特性。
42.对比例2
43.该对比例2的耦合结构具有与实例1相同的频段。不同于实例1，该耦合结构没有形成脊加载，而在输入波导和慢波结构之间设置有朝向慢波结构的两个阶梯过渡波导，如图5所示。根据公开报道的文献，在与本发明相同频段，两级过渡波导的长度分别为：l
s1
＝0.6mm，l
s2
＝1.2mm，慢波结构的周期长度为0.51mm，因此这两级过渡波导的长度相当于3.6个慢波结构周期。需要注意到，在行波管输入和输出耦合结构都要采用过渡波导的情况下，行波管仅阶梯过渡段就超过7个慢波结构周期。
44.相比于采用多阶梯过渡波导的结构，根据本发明的在输入波导结构原位添加负载的方法不增加耦合结构的长度，保持了结构的紧凑性。此外，由于脊加载具有良好的参数调节特性，因此采用单节反射隔离器即可满足性能要求，进一步缩短了耦合器长度。可以看到，根据本发明的实例的耦合结构在210ghz至230ghz范围内，匹配特性s
11
,s
22
<
‑
20db，同时隔离<
‑
10db。完全满足实用要求。
45.实例2
46.根据本发明实例2的耦合结构如图6所示，为包括输入波导分支，慢波结构分支和电子枪分支的三分支波导耦合器。该实例的输入耦合器在实际制作中依然采用两片式结构，但不同于实例1中直接加工凸起脊柱的方式，该实例是在其中一片波导上制作与脊加载直径一致的通孔，并且配合加工调谐钉。在测试中，首先通过模具将两片波导夹紧，通过调节调谐钉的插入深度修正耦合器的匹配特性。调谐钉插入波导内的深度在0.05mm至0.1mm之间。该精度范围内的深度变化可以通过外置精密调谐组件控制实现。在满足要求后将销钉固定，将两片电路焊接成为一个整体。
47.可以看出，根据本发明的可调谐耦合结构，在不改变尺寸和形状的情况下，通过改变脊加载的高度就可以调节匹配特性。这为实际的耦合结构增加了有效的微调机制，可以补偿加工、装配和焊接过程导致的匹配性能变差。
48.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。