CN101770921A - 倍频速调管及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倍频速调管及制作方法，涉及电真空器件技术，是用频率为f的微波激励信号作为输入信号，电子束在真空中与常规速调管的多个谐振腔相互作用，达到良好群聚后，电子束傅里叶频谱中高次谐波分量显著增加，输出结构采用频率nf所在波段的输出结构或者利用常规结构的高阶模式，从高度群聚的电子束中汲取频率nf的高次谐波分量，即输入频率f，输出频率nf，达到将微波小信号放大，同时频率f倍增到某一倍频nf，严格成整数倍。本发明方法简单易行，制作的倍频速调管，保持相当的倍频增益、良好的频谱纯度、较宽的绝对倍频带宽和相对较高的功率容量。

Description

倍频速调管及制作方法

技术领域

本发明涉及电真空器件技术领域，是微波电真空器件中一种新管型的倍频速调管及制造方法。

背景技术

普通速调管的功能是将微波小信号放大，频率f严格保持不变。在微波电真空放大类型的器件中，速调管的特点是输出微波功率高、增益高、频带相对较窄和输出信号频谱较纯。实践表明，f在Ka波段以上时，由于高频结构越来越小，电子注通道越来越细，普通速调管的制造难度大大增加，功率容量大大减小。倍频速调管的功能是将微波小信号放大，同时频率f倍增到某一倍频nf，严格成整数倍。普通速调管用于微波信号的末级功率放大器，用于雷达、加速器等方面，倍频速调管由于加倍拓展到新的工作频带，用途将不止于此。

倍频速调管的理论文献目前非常少，《微波器件原理》中曾论述到：“群聚电流中高次谐波十分丰富，而且谐波电流振幅随谐波次数的递增减小得很缓慢，因此把速调管作为倍频器或谐波发生器是很可取的。”参见图1，其中，n代表谐波次数；X代表群聚参量；J_n(nX)代表相应于nX的谐波幅值。

虽然速调管作为倍频器很有潜力，但是到目前为止，国内并未见到倍频速调管的实物及相关报道文献，反而是在国外不具太大潜力的固态器件开发出了倍频器件。原因是没有找到合适的输出结构，以及普遍认为利用谐波制造倍频器的效率会非常低。例如，固态倍频器件的输出功率一般都小于100mW，倍频增益和效率都很低。

发明内容

本发明的目的是提供一种倍频速调管及制作方法，该方法简单易行，制作的倍频速调管，保持相当的倍频增益、良好的频谱纯度、较宽的绝对倍频带宽和相对较高的功率容量。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种倍频速调管，包括输入窗、输入段、输入腔、结构主体、输出腔、输出段、输出窗、电子枪、电子束通道、高频互作用回路、聚束永磁结构和收集极；其结构主体和输入腔采用频率f所在波段的谐振腔结构，谐振腔保证是频率f所在波段的功率容量，但输出段和输出腔采用频率nf所在波段的输出结构或采用频率f所在波段的输出结构中的微波高次模式；所述的倍频速调管，其利用群聚后的电子束中的高次谐波分量，压制基波分量，而谐波频率都是基波频率的整数倍，从而实现倍频输出。

一种倍频速调管的制作方法，包括步骤：1)设计、2)冷测、3)制管、4)热测；其在步骤1)中，a)根据输出微波信号或毫米波信号的频率nf、倍频增益和峰值输出功率量级，确定输入信号的频率f、频率倍数n和大体的输入功率量级；b)结构主体和输入腔采用频率f所在波段的谐振腔结构，谐振腔保证是频率f所在波段的功率容量，但输出段采用频率nf所在波段的输出结构或采用频率f所在波段的输出结构中的微波高次模式；c)同时，输出波导的截止频率大于频率(n-1)f，并确保输出腔在频率mf处没有容易与电子注相互作用的谐振模式；d)用无源或有源电磁场设计软件设计整管高频动态情况，设计整管高频动态情况时，要特别注意输出结果中的频谱；

在步骤2)中，用频率f所在波段的微波仪器设备测试输入段、输入腔、输入窗、各中间腔的参数并调整到设计值后，再用频率nf所在波段的微波仪器设备测试输出段、输出腔、输出窗的参数并调整到设计值；

在步骤4)中，在热测台上进行速调管的老练，测试中着重测试输出信号频谱中各次谐波的分量，直到达到要求的性能参数；

老练到工作稳定为止。

所述的倍频速调管，其所述n为自然整数；且n≥2。

所述的制作方法，其所述n、m为自然整数；n≥2，m≠n，且m＜n+3。

本发明的倍频速调管的制作方法，简单易行，制作的倍频速调管，保持相当的倍频增益、良好的频谱纯度、较宽的绝对倍频带宽和相对较高的功率容量。

附图说明

图1是理论分析双腔速调管中群聚电流中各次谐波随群聚参量的变化图；

图2是本发明倍频速调管中最重要的高频互作用回路原理图；其中：

图2A为本发明倍频速调管正视图的剖视图；

图2B为本发明倍频速调管左视图

图3是本发明倍频速调管的整管剖视图；其中：

图3A为图2A正面剖视图旋转90度；

图3B为图2B侧面剖视图旋转90度；

图4A是本发明倍频速调管高频结构的设计结果；

图4B是输出腔动态仿真结果；

图5是本发明倍频速调管的输出频谱；

图6是本发明倍频速调管高频回路中的关键尺寸；其中：

图6A是倍频速调管左视图的剖视图；

图6B是倍频速调管正视图的剖视图。

具体实施方式

请参照图2、图3，为本发明的倍频速调管结构示意图，图2中，图2A为正视图的剖视图；图2B为左是图；其中，输出腔2_1；输出段2_2；输入段2_3；输入腔2_4；结构主体<含中间腔体>2_5；电子束通道2_6。图3中，图3A为图2A正面剖视图旋转90度；图3B为图2B侧面剖视图旋转90度；其中，电子枪1；高频互作用回路2；聚束永磁结构3；收集极4；输入窗5；输出窗6。

本发明的倍频速调管用微波激励信号f作为输入信号，电子束在真空中与常规速调管的多个谐振腔相互作用，达到良好群聚后，电子束傅里叶频谱中高次谐波分量显著增加，输出结构(即输出腔和输出段)采用nf频率那个波段的输出结构(或者利用常规结构的高阶模式)，从高度群聚的电子束中汲取nf频率的高次谐波分量。即输入f，输出nf，同时保持相当的倍频增益、较低的制造难度、良好的频谱纯度、较宽的绝对倍频带宽和f(而不是nf)那个波段的功率容量。其最重要的高频互作用回路参见图2。其中，n为自然整数。

用X波段的微波仪器设备测试输入段、输入腔、输入窗、各中间腔的参数并调整到设计值。再用Ku波段的微波仪器设备测试输出段、输出腔、输出窗的参数并调整到设计值。将各部件焊接在一起，在排气台上排气，最后得到超高真空度的密封真空管。

普通速调管只是利用群聚后的电子束中的基波分量，高次谐波分量虽然幅度不弱，但往往被弃之不用，甚至被尽量压制。而本发明的倍频速调管恰恰相反，利用群聚后的电子束中的高次谐波分量，压制基波分量(这一点用截止波导配合合适的输出腔)很容易做到，而谐波频率都是基波频率的整数倍，从而实现倍频输出，频谱纯度也相当高。

本发明的方法步骤是：

1)设计：根据输出微波信号(或毫米波信号)的频率nf、倍频增益和峰值输出功率量级，确定输入信号的频率f、频率倍数n和大体的输入功率量级(注意：nf＝n×f，会有多种n和f的组合，根据谐波幅度递减的规律，n尽量取较小的值)。输入腔和结构主体采用频率f所在波段的谐振腔结构，唯独输出段和输出腔采用频率nf所在波段的输出结构(或者采用频率f所在波段的输出结构中的微波高次模式)。然后采用无源和有源电磁场设计软件(如HFSS、E-gun、MAGIC、CST等)设计良好的电子光学***、各部件的准确结构尺寸和整管高频动态情况。同时设计输出波导的截止频率大于频率(n-1)f，并检查确保输出腔在频率mf(其中m≠n，m＜n+3)处没有容易与电子注相互作用的谐振模式。设计整管高频动态情况时要特别注意输出结果中的频谱。

其中，n、m为自然整数。

2)冷测：用频率f所在波段的微波仪器设备测试输入段、输入腔、输入窗、各中间腔的参数并调整到设计值。再用频率nf所在波段的微波仪器设备测试输出段、输出腔、输出窗的参数并调整到设计值。

3)制管：将各部件焊接在一起，在排气台上排气，最后得到超高真空度的密封真空管。

4)热测：在合适的热测台上进行速调管的老练，着重测试输出信号的频谱，调整聚焦磁场、脉冲高压、脉冲宽度等辅助参数，直到达到要求的性能参数。老练到工作稳定为止。

实施例：

制造一Ku波段(17900MHz)的倍频速调管，指标如表I所示：

表I技术要求

输出频率	17900MHz±10MHz
		输出峰值功率	≥30kW
倍频增益	≥45dB

输出频率	17900MHz±10MHz
		效率	≥10％
脉冲高压	31.5～33kV
		与其它二次谐波幅度之比	≤-25dB

1).设计各部件及整管。由于输出微波信号的频率nf＝17900±10MHz、倍频增益≥45dB以及峰值输出功率≥30kW，为了尽量增大输出功率，n选择最小值n＝2，于是输入频率f＝8950±5MHz。由倍频增益和输出功率可以得到：输入功率需要≤1W。这是一种X波段至Ku波段的二倍频速调管，电子注通道与普通X波段速调管相同，具有Ku波段的输出频率和X波段的功率容量。输入腔和结构主体采用X波段的谐振腔结构，唯独输出段和输出腔采用Ku波段的输出结构(由于输出腔体大小还可以接受，就不采用X波段谐振腔中的高次模式)。采用无源电磁场软件HFSS设计各腔体、输出窗等部件，采用有源电磁场软件E-gun和Magic设计电子光学***和整管动态高频情况，特别注意输出结果中的频谱。设计这些部件的所有结构参数和电气参数的过程，与设计普通速调管部件基本相同，只是波段不同，并没有增加设计难度。输入波导采用X波段的BJ100标准波导，输出波导采用较小的Ku波段的BJ140标准波导，由于BJ140的截止频率在9494MHz附近，大于(n-1)f，即8950MHz，同时输出腔在mf(其中m≠n，m＜n+3)没有容易与电子注相互作用的谐振模式。因此确保了输出频谱中其它谐波分量很小。请参见表II、图2、图3。动态仿真模拟结果参见图4，其中，图4A为倍频速调管高频结构的设计结果；图4B为输出腔动态仿真结果。

表IIX波段至Ku波段倍频速调管高频回路的主要设计参数

	频率(MHz)	Q值	腔间隙(mm)	腔位置(mm)	R/Q
						输入腔	8950	150	1.8	0	85
第二腔	8931	5000	1.8	12	90
						第三腔	9002	5000	1.8	24	90
第四腔	9111	5000	1.8	40	90
						第五腔	9168	5000	1.8	57	90
第六腔	9145	5000	1.8	89	90
						输出腔	17900	96	1.4	77.9	72

2).冷测各部件：用X波段的微波仪器设备测试输入段、输入腔、输入窗、各中间腔的参数并调整到设计值。再用Ku波段的微波仪器设备测试输出段、输出腔、输出窗的参数并调整到设计值。将各部件焊接在一起，在排气台上排气，最后得到超高真空度的密封真空管。

3).整管热测，应并特别注意频谱，参见图5为本发明的倍频速调管的输出频谱；热测其它结果见表III所示。

表III实现结果

输入频率	8950±20MHz
		输入功率	≤200mW
输出频率	17900MHz±40MHz
		输出峰值功率	≥30kW
倍频增益	≥51.8dB
		效率	≥11％
脉冲高压	33kV
		基波或三次谐波等与二次谐波之比	≤-30dB

普通速调管的输入段、结构主体和输出段都采用频率f所在波段的结构；波段不同，结构大小不同。速调管对于腔体结构尺寸的变化非常敏感，对于X波段以上的速调管，腔体关键结构尺寸变化超过0.5mm，就会使速调管的特性发生根本性的变化。

本发明的倍频速调管，身兼X波段和Ku波段的结构于一身，其高频回路的关键尺寸，见图6，为X波段至Ku波段倍频速调管高频回路中的关键尺寸图，其中，图6A-左面剖视图；图6B-正面剖视图。所有尺寸都可以通过仿真软件设计出来(结构中的输入段、输入腔、输出段、输出腔、结构主体中的各个谐振腔都可以用软件HFSS的结构参数扫描功能设计出来，虽然涉及两种不同波段，但设计方法与普通速调管没太大区别。区别在于：在用MAGIC这样的有源仿真软件设计时，见图4，普通速调管不用其快速傅里叶功能FFT进行频谱分析，因为普通输出腔总是能放大基波而抑制高次谐波，而倍频速调管要用FFT功能观察输出腔中场分量的各次谐波分量，在本例中体现为要求输出腔中Ku波段的二次谐波场分量要比X波段的基波场分量高出至少25dB，刻意将输出腔的谐振频率调至二次谐波处，反复优化结构参数是可以达到这个要求的。另外，普通速调管要求输出波导对基波绝对不能截止，体现为输出波导宽边尺寸最小不能超过一个最小值，而此倍频速调管要求输出波导绝对要截止基波同时不能截止二次谐波，体现为输出波导宽边最大最小都有一个阈值)，同时为了更好地吸取高次谐波分量，输出腔的位置、Q值、特征阻抗也与普通速调管不同，表II中显示的是X波段至Ku波段倍频速调管高频回路的主要设计参数，这些辅助参数也可以用仿真软件设计出来。

Claims (4)

1.一种倍频速调管，包括输入窗、输入段、输入腔、结构主体、输出腔、输出段、输出窗、电子枪、电子束通道、高频互作用回路、聚束永磁结构和收集极；其特征在于：结构主体和输入腔采用频率f所在波段的谐振腔结构，谐振腔是频率f所在波段的功率容量，但输出段和输出腔采用频率nf所在波段的输出结构或采用频率f所在波段的输出结构中的微波高次模式；利用群聚后的电子束中的高次谐波分量，压制基波分量，而谐波频率都是基波频率的整数倍，从而实现倍频输出。

2.一种如权利要求1所述的倍频速调管的制作方法，包括步骤：1)设计、2)冷测、3)制管、4)热测；其特征在于：在步骤1)中，a)根据输出微波信号或毫米波信号的频率nf、倍频增益和峰值输出功率量级，确定输入信号的频率f、频率倍数n和大体的输入功率量级；b)结构主体和输入腔采用频率f所在波段的谐振腔结构，谐振腔保证是频率f所在波段的功率容量，但输出段和输出腔采用频率nf所在波段的输出结构或采用频率f所在波段的输出结构中的微波高次模式；c)同时，输出波导的截止频率大于频率(n-1)f，并确保输出腔在频率mf处没有容易与电子注相互作用的谐振模式；d)用无源或有源电磁场设计软件设计整管高频动态情况，设计整管高频动态情况时，要特别注意输出结果中的频谱；

在步骤2)中，用频率f所在波段的微波仪器设备测试输入段、输入窗、输入腔、各中间腔的参数并调整到设计值后，再用频率nf所在波段的微波仪器设备测试输出段、输出腔、输出窗的参数并调整到设计值；

在步骤4)中，在热测台上进行速调管的老练，测试中着重测试输出信号频谱中各次谐波的分量，直到达到要求的性能参数；

老练到工作稳定为止。

3.如权利要求1所述的倍频速调管，其特征在于：所述n为自然整数；且n≥2。

4.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于：所述n、m为自然整数；n≥2，m≠n，目m＜n+3。

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