一种带状注器件的曲线耦合输入输出装置.pdf

本发明提供一种带状注器件的曲线耦合输入输出装置，属于真空电子技术领域。本发明针对现有技术中所用的输入输出耦合器工作频带较窄、功率容量低、电子注通道小、结构复杂不紧凑等问题，提出了一种H面曲线耦合波导的输入输出耦合装置，曲线轮廓线分布可以为线性分布、chebyshev分布、三角函数分布和二项式分布等，由此实现了较宽的工作带宽、较好的隔离效果、高功率输出、宽电子注通道，且本发明的输入输出耦合装置结构的紧凑性非常便于加工。

权利要求书1.  一种带状注器件的曲线耦合输入输出装置，包括矩形主波导(105)、矩形副波导(106)及曲线耦合波导(107)，所述主波导(105)与副波导(106)平行排布且二者之间通过曲线耦合波导(107)耦合能量；所述主波导(105)包括与慢波结构连接的波导端口(101)、与电子枪或收集极连接的波导端口(102)，所述副波导(106)包括输入或输出的端口(103)、连接负载匹配或直接短路的波导端口(104)，其特征在于，针对所述曲线耦合波导(107)，其平行于主波导(105)H面的截面的上、下边平行，所述截面的左、右两边为呈镜像对称的曲线轮廓线(108)。2.  根据权利要求1所述的带状注器件的曲线耦合输入输出装置，其特征在于，所述主波导(105)的H面与副波导(106)的H面相向平行设置，此时所述耦合波导(107)的两端分别位于主波导(105)及副波导(106)的H面上；或者，所述主波导(105)的E面与副波导(106)的E面相向平行设置，此时所述耦合波导(107)的两端分别位于主波导(105)及副波导(106)的E面上。3.  根据权利要求1所述的带状注器件的曲线耦合输入输出装置，其特征在于，所述曲线轮廓线(108)为chebyshev分布。4.  根据权利要求1所述的带状注器件的曲线耦合输入输出装置，其特征在于，所述曲线轮廓线(108)为线性分布、三角函数分布或二项式分布中的一种。

说明书一种带状注器件的曲线耦合输入输出装置
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种应用于高功率微波、毫米波和太赫兹波段的带状注器件的输入输出耦合结构。
背景技术
微波电子器件作为一种极为重要的高功率微波、毫米波源，被广泛运用于雷达、卫星通信、电子对抗、高速数据传输、拒止武器、微波加热等领域。微波电子系统高灵敏度、高可靠性的远距离传输与探测，将引导器件向高频率、宽频带、大功率、高效率、高可靠性和小型化等方向发展。近年来，带状电子束的出现，促使带状注电子器件在微波至太赫兹波频段有着诱人的发展前景，带状电子注通过采用具有较大宽高比的矩形或椭圆形横截面，来增大电子注电流，提高整管的输出功率。同时，带状电子注由于具有较低的电流密度，大大降低了对聚焦磁场的要求，可以采用周期永磁聚焦的方式，从而利于实现整管的小型化。另外，带状束器件适合平面结构的慢波电路，更有利于在高频率下产生高功率。因此，相应的能量耦合装置包括输入和输出结构的设计也被提出了更高的要求，如高频率、宽频带、高效率，结构简单紧凑易加工。
输入输出耦合结构将外加驱动信号有效输入至高频互作用电路并将放大后的信号输出至外接波导，以实现信号传输，因此，除了要确保具有较高的功率传输效率外，同时也应保证电磁波尽量少的通过电子注通道耦合到电子枪和收集极区域进而引起的电子注不稳定性，另外也可以防止过多的电磁波向外泄露。
由于带状束器件的快速发展，多种结构的输入输出结构被提出。电子科技大学赖剑强等人在“W-band 1-Kw Staggered Double-Vane Traveling-Wave Tube”(IEEE Trans.On Electron Devices，2012年，59卷，496-503页，作者：赖剑强,宫玉彬，许雄等人)一文中设计了一种渐变脊波导加载的带状束行波管输入输出耦合器；此结构的隔离度较好，在工作频带内小于-20dB，但1dB传输带宽不宽，相应的相对带宽达24.1％，且电子注通道太小，难以发挥带状注器件的优势，结构比较复杂，特别是应用于高频段，不易加工。电子科技大学郑源等人在“Extremely broad bandwidth input/output coupling structure design for Q-band sheet-beam traveling-wave tube”(IEEE Trans.Plasma Sci.,2014年，42卷，3339-3343页，作者：郑源,王建勋，罗勇)中提出了一种E面多孔输入输出耦合器，该结构隔离带宽效果非常好，隔离度小于-20dB的相对带宽达36.4％。但是，多个耦合孔增加了结构的长度，不易加工测试冷却，同时E面波导平行耦合不利于与聚焦永磁体的小型化集成和封装。
发明内容
本发明针对背景技术中所介绍的输入输出耦合器工作频带较窄，功率容量低，电子注通道小，结构复杂不紧凑等问题，提出了一种H面曲线(轮廓线分布包括：线性分布、chebyshev分布、三角函数分布和二项式分布等)耦合波导的输入输出耦合装置,实现了较宽的工作带宽，较好的隔离效果，高功率输出，宽电子注通道，同时结构的紧凑性，非常便于加工。
本发明具体采用如下技术方案：
带状注器件的曲线耦合输入输出装置，其结构如图1至图4所示，包括矩形主波导105、矩形副波导106及曲线耦合波导107，所述主波导105与副波导106平行排布且二者之间通过曲线耦合波导107耦合能量；所述主波导105包括与慢波结构连接的波导端口101、与电子枪或收集极连接的波导端口102，所述副波导106包括输入或输出的端口103、连接负载匹配或直接短路的波导端口104；所述曲线耦合波导107的平行于主波导105及副波导106的H面的截面如图2所示，截面的上、下边平行，截面的左、右两边为呈镜像对称的曲线轮廓线108，所述曲线轮廓线108可以为线性分布、chebyshev分布、三角函数分布及二项式分布中的一种；
若所述曲线耦合输入输出装置作为带状注器件的输出波导，则电磁波与电子注在慢波结构中经过注波互作用通过端口101进入主波导105，电磁波经由主波导H面的耦合窗口通过曲线耦合波导107被耦合进与主波导H面平行的副波导106中，最后通过端口103输出，电子注则由端口102进入收集级；若作为带状注器件的输入波导，则电磁波通过输入端口103进入到副波导106中，通过H面的曲线耦合波导107耦合进主波导105，电子注则由端口102进入主波导105，电子注和电磁波通过主波导传输通过端口101进入慢波结构，进行注波互作用，实现信号的放大。
进一步的，所述主波导105的H面与副波导106的H面相向平行设置，此时所述耦合波导107的两端分别位于主波导105及副波导106的H面上；或者，所述主波导105的E面与副波导106的E面相向平行设置，此时所述耦合波导107的两端分别位于主波导105及副波导106的E面上。
本发明的有益效果是：
本发明采用了H面曲线耦合波导，一定程度地扩大工作带宽，减小耦合器与慢波结构端口的反射，从而提高输出耦合器的工作性能；本发明结构简单紧凑，有利于与周期永磁聚焦系统小型化集成和封装且可沿E面扩展，适用频带广泛；该结构加工容易，只需从一面进行切洗，利于用作高频耦合器；平面结构易于冷却，具有高功率容量；另外，电子注通道尺寸等于高频结构中的电子注通道尺寸，从而利于发挥带状电子注的优势；耦合波导改进为一定 倾斜角度，可以矫正匹配由于耦合波导造成的传输相位偏移，改善由于高频与输入输出结构之间波导阻抗不连续性所造成的反射，同时扩展了整个输入输出耦合装置的工作带宽。
附图说明
图1是本发明提供的曲线耦合波导输入输出耦合装置的俯视图；
图2是本发明提供的曲线耦合波导输入输出耦合装置的前视剖面即A-A截面图；
图3是本发明提供的曲线耦合波导输入输出耦合装置的左视图；
图4是本发明提供的曲线耦合波导输入输出耦合装置的俯视剖面即B-B截面图；
图5是本发明实施例2提供的曲线耦合波导输入输出耦合装置的俯视剖面即B-B截面图；
图6是本发明实施例1提供的输入输出耦合装置端口104端接匹配负载时的反射(S11)、隔离(S21)传输(S31)系数仿真结果；
图7是本发明实施例1提供的输入输出耦合装置端口104短路时的反射(S11)、隔离(S21)传输(S31)系数仿真结果；
图8是本发明实施例2提供的倾斜耦合波导输入输出耦合装置端口4短路的反射(S11)、隔离(S21)传输(S31)系数仿真结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述
实施例1
本实施例以工作在W频段(75-110GHz，中心频率95GHz)的应用于带状束行波管输入输出结构为例，对本发明进一步详细说明。
本实施例提供的输入输出耦合装置的结构示意图如图1至图4所示，其中曲线耦合波导轮廓108采用chebyshev分布，所述耦合波导107的两端分别位于主波导105及副波导106的H面上，所述耦合波导107的传输方向与主波导105的H面垂直。
图6给出了本实施例所示结构端口4接匹配负载的反射、隔离度和传输参数，
可以看出端口反射低于-15dB的带宽为19.3Hz，隔离度小于-20dB的带宽达19.9GHz，图7给出了端口4短路的反射参数、隔离度和传输参数；通过短路结构的参数，可以看出端口反射低于-15dB的带宽为19.3GHz，隔离度小于-20dB的带宽达21.8GHz，1dB(S31>-1dB)传输带宽23.2GHz。可见端口4短路对端口1反射没影响，但对端口2隔离的影响较大，带宽变宽。
实施例2
进一步，通过改变耦合波导的沿主波导传输的方向，矫正和匹配电磁波在耦合波导处由于不同频点相位出现超前和滞后现象，调节所述耦合波导107的传输方向与主波导105的H 面之间的角度θ，使得θ小于90°，如图5所示，可进一步扩展该耦合器的工作带宽以及改善低频带的反射性能。
本实施例的chebyshev分布的耦合波导107的传输方向相对于主波导105的H面垂线方向具有一定的倾斜度，如图5所示，其他结构结构与实施例1完全相同。图8给出了本实施例采用倾斜的chebshev分布的耦合波导输入输出耦合装置端口反射参数(S11)、传输参数(S21)和隔离性能(S31)结果。可以看出，通过改变优化耦合波导的倾斜角，可以改变相位传输，进而降低耦合器的反射，提高传输和反射性能，其带宽分别向低频工作区域扩展了7GHz和9GHz。
以上实例仅为方便说明本发明，本发明可以适用于微波至亚毫米波的多个频带，包括X、Ku、Ka、Q、W、D和G频段的行波管、返波管和速调管。