一种共焦波导和圆波导级联的混合式回旋行波管高频系统技术方案

本发明专利技术公开了一种共焦波导和圆波导级联的混合式回旋行波管高频系统，属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域。该高频系统包括轴向级联的共焦波导线性高频段和圆波导非线性高频段。本发明专利技术采用了不同波导结构的线性高频段和非线性高频段，高频场在其中具有两种不同的工作模式，其对应的色散特性曲线不同；在共焦波导线性高频段中采用高阶模式工作，实现电子注调制和群聚；在圆波导非线性段中采用低阶过模状态工作，实现电子注和高频场互作用换能。因此，本发明专利技术可大大增加线性高频尺寸和散热面积，有效实现毫米波高平均功率/连续波功率回旋行波管工作，提升器件工作频率、功率和稳定性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种共焦波导和圆波导级联的混合式回旋行波管高频系统


[0001]本专利技术属于微波、毫米波和太赫兹器件
，具体涉及一种共焦波导和圆波导级联的混合式回旋行波管高频系统。
技术背景
[0002]随着新一代高性能雷达、通信等技术的快速发展，系统对大功率信号源工作频率、带宽和功率等性能的要求日益提高。在毫米波波段，具有高宽带和高功率等优点的回旋行波管有广泛的应用前景和发展潜力。
[0003]回旋行波管高频系统包括线性高频段和非线性高频段，其中线性高频段为损耗结构，主要实现电子注调制和群聚，而非线性高频段主要实现电子注和电磁波互作用换能。在回旋行波管发展过程中，产生了矩形波导、圆波导、螺旋波纹波导等封闭式高频结构，以及共焦波导、光子晶体波导等开放式高频结构。通常线性高频段和非线性高频段均采用同种波导结构，且工作于相同的波导模式，然而随着工作频率提升，器件尺寸减小，这导致线性高频加载段(尤其是加载段末端)热损耗功率密度增大，器件功率容量急剧下降。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种共焦波导和圆波导级联的混合式回旋行波管高频系统。该高频系统包括直接级联的共焦波导线性高频段和圆波导非线性高频段，通过采用不同类型的波导结构，解决工作频率提升尺寸缩小带来的功率容量下降问题。
[0005]本专利技术采取以下的技术方案实现：
[0006]一种共焦波导和圆波导级联的混合式回旋行波管高频系统，其特征在于，该高频系统包括轴向级联的共焦波导线性高频段和圆波导非线性高频段。
[0007]所述共焦波导线性高频段，包括方筒形的金属外壳、对称设置于金属外壳上下顶面的共焦波导、以及设置于金属外壳内侧壁的吸波介质层。
[0008]进一步地，所述共焦波导两侧分别设置有结构相同的楔形导体柱，所述楔形导体柱的横截面为直角三角形，其中一直角面与金属外壳贴合，另一直角面与共焦波导侧面完整贴合。
[0009]进一步地，所述高频系统采用过模波导结构，其中所述共焦波导线性高频段的工作模式为高阶准高斯模式HE
0m
模，所述圆波导非线性高频段的工作模式为圆波导TE
0n
模式，且所述共焦波导线性高频段和圆波导非线性高频段具有相同的截止特性。
[0010]对于线性高频段，共焦波导工作于HE
0m
模式时，截止波数为：
[0011][0012]其中m为正偶数2、4、6
…
，L
t
为镜面间中心位置处的间距，在共焦条件下L
t
＝R，R为共焦波导曲率半径。
[0013]对于非线性高频段，圆波导工作于TE
0n
模式时，截止波数为：
[0014][0015]其中r为圆波导半径，x
n
为零阶贝塞尔函数J0(x)一阶导函数的第n个根。
[0016]线性高频段和非线性高频段具有相同的截止特性时，满足：
[0017][0018]以下对本专利技术散热性能进行详细说明：
[0019]圆波导非线性高频段的半径为r，长为L1，则散热结构表面积为：
[0020]S
圆
＝2πrL1ꢀꢀ
(4)
[0021]吸波介质层的外围尺寸分别为a和b，长L2，则散热结构表面积为：
[0022]S
共焦
＝2(a+b)L2ꢀꢀ
(5)
[0023]其中，
[0024]a＞b＞＞r
ꢀꢀ
(6)
[0025]因此共焦波导结构与圆波导结构散热面积比为：
[0026][0027]通常设计中a>b≈L
t
，由此得：
[0028][0029]若电子注与HE
0m
模式共m个电场峰值，考虑到对称性，规定电子注与从中心开始计数的第i(i＝1,2
…
m/2)个电场峰值进行互作用，即引导中心直径为：
[0030][0031]若固定n＝1，即圆波导采用TE
01
模式，根据非线性高频中最强耦合系数原则，可知：
[0032][0033]综上可得：
[0034][0035]μ>>1表明本专利技术提出的混合式回旋行波管高频可大大增加散热面积，缓解高频率工作带来的高频尺寸减小问题。
[0036]同时，由于本专利技术中线性高频和非线性高频采用不同波导结构，高频场在其中具有两种不同的工作模式，其对应的色散特性曲线不同；在共焦波导线性高频段中采用高阶模式工作，实现电子注调制和群聚；在圆波导非线性段中采用低阶过模状态工作，实现电子注和高频场互作用换能。因此，本专利技术可大大增加线性高频尺寸和散热面积，缓解高频率工作带来的高频尺寸减小、器件平均功率容量难以提升，电子注截获加重、电子注轰击损耗材料导致出气加剧等问题，有效实现毫米波高平均功率/连续波功率回旋行波管工作，提升器件工作频率、功率和稳定性。
附图说明
[0037]图1为传统圆波导回旋行波管高频系统的三维结构示意图。
[0038]图2为本专利技术提出的混合式回旋行波管高频系统三维结构示意图。
[0039]图3为本专利技术提出的混合式回旋行波管高频系统侧面剖视图。
[0040]图4为本专利技术提出的混合式回旋行波管高频系统的端口模式电场分布示意图，其中，图(a)为共焦波导端口电场分布，图(b)为圆波导端口电场分布，图(c)为整个高频系统电场分布。
[0041]图5为本专利技术提出的混合式回旋行波管高频系统的典型输出信号曲线。
[0042]图6为本专利技术提出的混合式回旋行波管高频系统的典型输出信号频谱。
[0043]附图标号说明：1.共焦波导，2.金属外壳，3.圆波导4.吸波介质层。
具体实施方式
[0044]以下通过W波段混合式回旋行波管高频系统设计实例以及附图对本专利技术作进一步的详细阐述。
[0045]附图1为传统圆波导回旋高频系统的三维结构示意图。
[0046]如附图2、图3所示，本实施例的混合式回旋行波管高频系统，包括轴向级联的共焦波导线性高频段和圆波导非线性高频段。
[0047]所述共焦波导线性高频段，包括方筒形的金属外壳、对称设置于金属外壳上下顶面的共焦波导、以及设置于金属外壳内侧壁的吸波介质层；所述共焦波导两侧分别设置有结构相同的楔形导体柱，所述楔形导体柱的横截面为直角三角形，其中一直角面与金属外壳贴合，另一直角面与共焦波导侧面完整贴合。
[0048]电磁波在共焦波导中传输时会发生衍射，同时杂模会对工作模式产生影响，因此在共焦波导镜面处放置楔形导体柱对衍射杂模进行引导至外围的吸波介质层中进行充分吸收。
[0049]非线性段高频段由光滑圆波导构成，共焦波导线性高频段末端直接连接圆波导非线性高频的入口端。
[0050]表1为本实施例W波段混合式回旋行波管高频系统的主要结构参数。其中，a＝14.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种共焦波导和圆波导级联的混合式回旋行波管高频系统，其特征在于，该高频系统包括轴向级联的共焦波导线性高频段和圆波导非线性高频段；所述共焦波导线性高频段，包括方筒形的金属外壳、对称设置于金属外壳上下顶面的共焦波导、以及设置于金属外壳内侧壁的吸波介质层。2.如权利要求1所述的一种共焦波导和圆波导级联的混合式回旋行波管高频系统，其特征在于，所述共焦波导两侧分别设置有结构相同的楔形导体柱，所述楔形导体柱的横截面为直角三角形，其中一直角面与金属外壳贴合，另一直角面与共焦波导侧面完整贴合。3.如权利要求1所述的一种共焦波导和圆波导级联的混合式回旋行波管高频系统，其特征在于，所述高频系统采用过...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚叶雷，戴欣哥，王建勋，刘国，罗勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：