CN108550511B - 一种双频双模回旋行波管输入耦合器 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种双频双模输入耦合器，涉及微波、毫米波器件技术领域，具体来说是回旋行波管输入耦合器。本发明采取以下的技术措施实现：该双波段(Ku/Ka波段)双工作模式(TE11/TE01模式)输入耦合器的结构主要三部分：工作在Ku波段的TE11模输入耦合器、工作在Ka波段的TE01模输入耦合器，以及具有选模特性的级联反射腔结构，从而实现发明目的。相比于传统的输入耦合器，本发明的输入耦合器既可以工作在Ku又可以工作在Ka波段；采用具有级联反射腔结构，实现了TE01模的全反射保证TE10模式单方向的由输出圆波导输出；采用翼片加载衰减材料，达到衰减TE01模的竞争模式。

Description

一种双频双模回旋行波管输入耦合器
技术领域
本发明涉及微波、毫米波器件技术领域，具体来说是回旋行波管输入耦合器。
背景技术
回旋行波管是一种大功率、宽频带的微波毫米波放大器，具有高功率、宽频带的特点，在毫米波成像雷达，毫米波通信***以及电子战等领域有着十分重要的应用前景，因此在国际上备受重视。现代一些先进雷达以及电子对抗机能够有效的工作于很宽的频段，甚至于可以跨频段工作，所以往往需要由数支回旋行波管作为微波源，这样就不利于减小整个***的尺寸，并且增加整个设备的成本。所以能同时工作于多个频段的回旋行波管具有非常重要的应用价值也是回旋行波管主要发展方向之一。回旋行波管采用快波横向换能的工作方式，利用输入信号对回旋电子注进行速度调制，由于相对论质量效应使其逐渐形成角向群聚，在注-波互作用中交出能量，产生高功率毫米波输出。输入耦合器是回旋行波管的核心部件之一，是完成输入信号模式变换并对回旋电子注进行能量或速度调制的高频器件。
双频双模回旋行波管的设计不仅满足当代先进雷达、电子干扰机等多频带或者宽频带工作的要求。同时，对于回旋行波管用户单位来说，用一支器件就能满足两个频段的设计要求，无疑可以为用户单位节约大量的金钱投入，节约研发成本。输入耦合器是回旋行波管的核心部件之一，因此研究在同一互作用电路情况下能同时工作于多频带的回旋行波管输入耦合器具有重要意义和价值。
发明内容
为了解决回旋行波管输入耦合器只能单频段工作的问题，本发明提出一种新型的回旋行波管双频段(Ku/Ka)双模(TE11/TE01)输入耦合器。
本发明采取以下的技术措施实现：该双波段(Ku/Ka波段)双工作模式(TE11/TE01模式)输入耦合器的结构主要三部分：工作在Ku波段的TE11模输入耦合器、工作在Ka波段的TE01模输入耦合器，以及具有选模特性的级联反射腔结构，从而实现发明目的。因而本发明的技术方案为：一种双频双模输入耦合器，该耦合器包括：第一输入矩形波导1、第一输出圆波导4、同轴谐振圆波导2、三级级联圆形反射波导8、第二输出圆波导、第二输入矩形波导、截止圆波导；所述输入第一矩形波导设置于同轴谐振圆波导的外侧壁，同轴谐振圆波导嵌套于第一输出圆波导的外部，且第一输出圆波导位于同轴谐振圆波导腔体内的外壁上开设有矩形耦合缝隙，所述第二矩形波导设置于第二输出圆波导的外侧壁；所述三级级联圆形反射波导包括间隔设置的第一级圆形反射波导、第一连接圆波导、第二级圆形反射波导、第二连接圆波导、第三级圆形反射波导，第一级到第三级圆形反射波导的腔体内均匀设置有具有衰减特性的翼片10且各内腔半径长度均相同，第一、第二连接圆波导结构完全相同；所述同轴谐振圆波导2、三级级联圆形反射波导、第二输出圆波导、截止圆波导依次级联且共轴线；所述输出圆波导的腔体与三级级联圆形反射波导的各级腔体完全连通，所述第一输入矩形波导与第二输入矩形波导相互垂直。
进一步的，所述第一级、第三级圆形反射波导的腔体内均匀设置有8片翼片将各圆形腔体均匀划分为8个扇形区域；第二级圆形反射波导的腔体内均匀设置有16片翼片将各圆形腔体均匀划分为16个扇形区域。
进一步的，所述输出圆波导位于同轴谐振圆波导腔体内的外壁上均匀开设有5条矩形耦合缝隙，其中一条耦合缝隙开设于输入矩形波导的下方。
进一步的，所述截止圆波导7半径为第二输出圆波导半径的0.7～0.8倍。
本发明的有益效果在于：
(1)相比于传统的输入耦合器，本发明创新处在于设计了一种双频段双模回旋行波管输入耦合器，该设计的输入耦合器既可以工作在Ku又可以工作在Ka波段；
(2)采用具有级联反射腔结构，实现了TE01模的全反射保证TE10模式单方向的由输出圆波导输出；
(3)采用翼片加载衰减材料，达到衰减TE01模的竞争模式，提高输出圆波导TE01模的纯而Ku波段的TE11模有一定衰减的通过反射腔结构传输到输出波导中。
附图说明
图1本发明双频双模输入耦合器示意图；
图2本发明双频双模输入耦合器侧视图；
图3本发明双频双模输入耦合器俯视图；
图4本发明双频双模输入耦合器中Ku波段输入耦合器单独工作时各模式间的传输参数；
图5本发明双频双模输入耦合器Ku波段各模式间的传输参数；
图6本发明双频双模输入耦合器Ka波段各模式间的传输参数。
具体实施方式
下面结合一个双波段(Ku/Ka波段)双工作模式(TE11/TE01模式)的输入耦合器设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：
输入信号模式：矩形波导TE10模；
工作波段1/频率1/模式1：Ku/15.5GHz-18.5GHz/TE11
工作波段2/频率2/模式2：Ka/32GHz-36GHz/TE01
附图1为新型双频双模输入耦合器示意图；图2新型双频双模输入耦合器侧视图；附图3新型双频双模输入耦合器俯视图。该发明新型包括：工作在Ku波段的TE11模输入耦合器、工作在Ka波段的TE01模输入耦合器，以及两者间选模级联反射腔。
其中工作在Ka波段的TE01模输入耦合器：
第一输入矩形波导1：采用标准矩形波导型号BJ320，宽边7.12mm，窄边3.56mm，长10.0mm。
同轴谐振腔2：内导体半径为r2＝6.02mm，内壁腔体厚度0.3mm，外导体半径为r3＝8.97mm,长度15.23mm。
同轴谐振腔的内导体上矩形耦合隙缝3：宽度0.3mm，长度4.7mm，距离同轴内导体上、下边沿长度均为5.265mm，共计5个耦合隙缝，第一个隙缝与矩形波导中心夹角为36度，相邻耦合缝夹角为72度。
第一输出圆波导4：半径为r1＝5.72mm，长度为10mm。
工作在Ku波段的TE11模输入耦合器：
第二输入矩形波导5：宽边10mm，窄边2mm。
第二输出圆波导6：半径5.72mm，长度20mm。
截止圆波导7；半径4.576mm长度10mm。
选模级联反射腔：
反射腔8：内半径为r4＝12.5mm，厚度1mm，长度5mm。
连接反射腔的圆波导9：内半径5.72mm，厚度1mm，长度1.65mm。
介质基片：级联选模反射腔两边的腔体中各有8个翼片介质基片径向分布，角向成45°，中间腔体介质基片16片，角向成22.5°。
图4为新型双频双模输入耦合器中Ku波段输入耦合器单独工作时各模式间的传输参数。由图可知该输入耦合器的TE10-TE11传输参数的3dB带宽覆盖范围从15.71GHz到17.84GHz,具有较宽的工作带宽。由图可知，输入端的TE10模到其它模的传输参数比较低，在15.5GHz到18.5GHz的频率范围内，均在-25dB以下，可见TE10模到输入端TE01模以外的其他模式得到了较好的抑制，从而实现了TE10-TE11的高效模式转换，输出了具有较高纯度的圆波导TE01模。图5新型双频双模输入耦合器Ku波段各模式间的传输参数。由图可知，加载了选模级联反射腔后，在15.55GHz-17.72GHz中，TE10-TE11的传输参数在13dB左右，而其他模式的传输参数均在小于-70dB，TE21模更是到-80dB以下，可以看出加载的选模级联反射腔对其他模式具有较好的衰减特性。
图6为新型双频双模输入耦合器Ka波段各模式间的传输参数。由图可知该新型的高电子束流通的输入耦合器的TE10-TE01传输参数的3dB带宽覆盖范围从32.58GHz到34.61GHz,表明了该输入耦合器工作带宽较宽。由图可知，输入端的TE10模到其它模的传输参数比较低，在32.61GHz到36GHz的频率范围内，基本都在-25dB以下，可见TE10模到输入端TE01模以外的其他模式得到了较好的抑制，从而实现了TE10-TE01的高效模式转换，输出了具有较高纯度的圆波导TE01模。
以上实例仅为方便说明本发明，本发明提出的新型回旋行波管输入耦合器还可以适用于其它频段，具体尺寸由相应的频段和工作模式确定。

Claims (4)

1.一种双频双模回旋行波管输入耦合器，该耦合器包括：第一输入矩形波导(1)、第一输出圆波导(4)、同轴谐振圆波导(2)、三级级联圆形反射波导(8)、第二输出圆波导、第二输入矩形波导、截止圆波导；所述第一输入矩形波导设置于同轴谐振圆波导的外侧壁，同轴谐振圆波导嵌套于第一输出圆波导的外部，且第一输出圆波导位于同轴谐振圆波导腔体内的外壁上开设有矩形耦合缝隙，所述第二输入矩形波导设置于第二输出圆波导的外侧壁；所述三级级联圆形反射波导包括间隔设置的第一级圆形反射波导、第一连接圆波导、第二级圆形反射波导、第二连接圆波导、第三级圆形反射波导，第一级到第三级圆形反射波导的腔体内均匀设置有具有衰减特性的翼片(10)且各内腔半径长度均相同，第一、第二连接圆波导结构完全相同；所述同轴谐振圆波导(2)、三级级联圆形反射波导、第二输出圆波导、截止圆波导依次级联且共轴线；所述第一输出圆波导(4)和第二输出圆波导的腔体与三级级联圆形反射波导的各级腔体完全连通，所述第一输入矩形波导与第二输入矩形波导相互垂直。
2.如权利要求1所述的一种双频双模回旋行波管输入耦合器，其特征在于所述第一级、第三级圆形反射波导的腔体内均匀设置有8片翼片将圆形腔体均匀划分为8个扇形区域；第二级圆形反射波导的腔体内均匀设置有16片翼片将圆形腔体均匀划分为16个扇形区域。
3.如权利要求1所述的一种双频双模回旋行波管输入耦合器，其特征在于所述第一输出圆波导(4)位于同轴谐振圆波导腔体内的外壁上均匀开设有5条矩形耦合缝隙，其中一条耦合缝隙开设于第一输入矩形波导的下方。
4.如权利要求1所述的一种双频双模回旋行波管输入耦合器，其特征在于所述截止圆波导(7)半径为第二输出圆波导半径的0.7～0.8倍。
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