[發(fā)明專利]一種共焦波導(dǎo)寬帶輸入耦合裝置

有效

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• 申請日: 2016-04-20
• 公開（公告）號: CN105914117B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王建勛;姚葉雷;夏建波;任緒迅;羅勇
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: H01J23/38
• 分類號: H01J23/38
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心51203
• 代理人: 張楊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微波，毫米波器件技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種新型共焦波導(dǎo)回旋行波管寬帶輸入耦合系統(tǒng)，可以應(yīng)用在毫米波及太赫茲波段的回旋行波管。

背景技術(shù)

回旋行波管是一種高功率、高效益、高增益及具有一定帶寬的新型高功率毫米波器件。它在高分辨率毫米波成像、毫米波對抗、電子戰(zhàn)和微波通信系統(tǒng)等方面具有重要的應(yīng)用前景。輸入耦合器是回旋行波管的核心部件之一，它將波導(dǎo)輸入的高頻信號轉(zhuǎn)化為高頻結(jié)構(gòu)中工作模式的駐波場，由于相對論質(zhì)量效應(yīng)使其逐漸形成角向群聚，在注-波互作用中交出能量，產(chǎn)生高功率毫米波輸出。輸入耦合器是完成輸入信號模式變換并對回旋電子注進(jìn)行能量或速度調(diào)制的高頻器件，與電子注的群聚狀態(tài)密切相關(guān)。輸入耦合器設(shè)計(jì)的好壞直接影響著回旋行波管的互作用效率、增益、帶寬等性能。為了實(shí)現(xiàn)較高的模式轉(zhuǎn)化效率，展寬其頻帶，同時(shí)有效地抑制寄生模式，輸入耦合器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此，要對其進(jìn)行精確計(jì)算是非常困難的。

目前，共焦波導(dǎo)回旋行波管的輸入耦合系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)主要包括:(I)通過一個與共焦波導(dǎo)鏡面相互垂直的輸入波導(dǎo)注入能量，輸入耦合系統(tǒng)的橫向邊界是開敞的；(II)由兩個與共焦波導(dǎo)鏡面相互垂直的對稱輸入波導(dǎo)注入能量，輸入耦合系統(tǒng)的橫向邊界是開敞的；(III)由一個與共焦波導(dǎo)鏡面相互垂直的標(biāo)準(zhǔn)圓波導(dǎo)注入能量，且輸入耦合系統(tǒng)的橫向邊界是封閉的。不管是(I)，還是(II),(III)結(jié)構(gòu)，其帶寬都比較窄，其耦合效率比較低，相對帶寬在5％左右，耦合效率最高達(dá)到70％。導(dǎo)致帶寬不夠?qū)挘ぷ髂Ｊ今詈闲实偷闹饕蛴校簭妮斎氩▽?dǎo)注入的能量一部分從輸入波導(dǎo)反射出去；工作模式的一部分能量從輸入耦合系統(tǒng)的橫向開敞面衍射出去；在輸入耦合系統(tǒng)中除工作模式外，還存在許多寄生模式；對于由兩個對稱輸入波導(dǎo)注入能量的結(jié)構(gòu)，還存在能量從對稱的波導(dǎo)中傳輸出去的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服傳統(tǒng)共焦波導(dǎo)寬帶輸入耦合裝置的耦合帶寬較窄，相對帶寬5％左右，耦合效率較低，最大耦合效率70％，存在寄生模式，本發(fā)明提出一種新型共焦波導(dǎo)回旋管輸入耦合系統(tǒng)技術(shù)方案，可以使共焦波導(dǎo)的輸入耦合效率達(dá)到80.54％，相對帶寬達(dá)到14.43％，性能技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)輸入耦合系統(tǒng)。

本發(fā)明采取以下的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明的一種共焦波導(dǎo)寬帶輸入耦合裝置,該裝置包括：共焦波導(dǎo)(2)、截止波導(dǎo)、輸入波導(dǎo)；共焦波導(dǎo)橫向側(cè)面密封，截止波導(dǎo)位于共焦波導(dǎo)的一端且密封銜接，輸入波導(dǎo)包括兩個矩形波導(dǎo)，分別設(shè)置于共焦波導(dǎo)的兩個鏡面上；其特征在于所述輸入波導(dǎo)傾斜的設(shè)置于共焦波導(dǎo)的鏡面上，傾斜角小于90度。

進(jìn)一步的，所述共焦波導(dǎo)橫向側(cè)面內(nèi)壁各設(shè)置3條突起的脊，脊的方向與共焦波導(dǎo)內(nèi)電磁波的群傳播方向一致。

進(jìn)一步的，所述截止波導(dǎo)為與共焦波導(dǎo)配合的圓臺形。

進(jìn)一步的，所述輸入波導(dǎo)與共焦波導(dǎo)的夾角為θ，采用如下公式求的：

其中：c表示電磁波傳播速度，f表示本發(fā)明耦合裝置工作頻率，L_⊥表示共焦波導(dǎo)兩個圓柱面之間的距離，m表示場在共焦波導(dǎo)x方向分布有m個駐波半波長，n表示在共焦波導(dǎo)y方向分布有n個駐波半波長。

本發(fā)明的新型共焦波導(dǎo)輸入耦合系統(tǒng)解決了(I),(II),(III)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的輸入波導(dǎo)能量反射，耦合系統(tǒng)中寄生模式問題嚴(yán)重，傳統(tǒng)對稱結(jié)構(gòu)中能量從輸入波導(dǎo)輸出等問題。提高了共焦波導(dǎo)輸入耦合系統(tǒng)的性能，展寬了共焦波導(dǎo)輸入耦合系統(tǒng)的帶寬，提高了其耦合效率，為性能優(yōu)良的共焦波導(dǎo)回旋行波管的研制提供便利。

此時(shí)，仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，共焦波導(dǎo)輸入耦合系統(tǒng)中還存在許多寄生模式，導(dǎo)致其耦合效率下降，因此通過改變邊界條件來抑制寄生模式，使從輸入波導(dǎo)輸入的功率更多的耦合為工作模式的功率。將共焦波導(dǎo)輸入耦合系統(tǒng)的開敞面封閉，同時(shí)在封閉面上開槽，這樣就改變了邊界條件，抑制了寄生模式，使工作模式的耦合效率更高，耦合帶寬更寬。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：耦合頻帶寬：3dB耦合帶寬14.08GHz，相對帶寬14.43％，耦合效率高：耦合效率最高達(dá)到80.54％，帶內(nèi)耦合平坦度高：耦合效率在70.8％以上的帶寬為9.28GHz。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的新型共焦波導(dǎo)寬帶輸入耦合系統(tǒng)的等軸側(cè)視圖；

輸入波導(dǎo)(1)，共焦波導(dǎo)(2)，截止波導(dǎo)(3)，縱向邊界開槽(4)，輸入波導(dǎo)(1)和共焦波導(dǎo)(2)的夾角θ；

圖2是本發(fā)明提供的新型共焦波導(dǎo)寬帶輸入耦合系統(tǒng)的前視圖；