CN111969288A - 斜入式多路合成回旋行波管te02模输入耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，明属于微波、毫米波器件技术领域。该输入耦合器包括功率分配部分、斜入式多路合成部分和截止圆波导。采用斜入式多路合成的结构在主圆波导中耦合出高纯度的TE₀₂模，通过改变主圆波导侧壁上矩形波导的分支数目、位置分布和侧壁的矩形波导分支与圆波导之间的夹角来破坏主圆波导中TE₀₂模的主要竞争模式(TE₀₁，TE₄₁)的场分布，改善阻抗匹配，从而达到有效抑制杂模，降低反射系数，提高转换效率，增加带宽的有益效果。

Description

斜入式多路合成回旋行波管TE02模输入耦合器

技术领域

本发明属于微波、毫米波器件技术领域，具体涉及一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器。

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广泛的应用前景。输入耦合器是回旋行波管的核心部件之一，其主要作用是将标准矩形波导的TE₁₀模通过特定的模式转换在圆波导中耦合出回旋行波管的工作模式TE_mn模。它是完成输入信号的模式变换并对回旋电子注进行能量或速度调制的核心高频器件。因此，为保证回旋行波管的良好工作性能，要求输入耦合器具有能有效抑制杂模、反射系数低、转换效率高、带宽宽等特点。

回旋行波管输入耦合器是三端口器件，两个输出端口均为圆波导且分别与电子枪和注-波互作用区相连接，因此通常采用圆波导侧壁激励的结构去激励出回旋行波管需要的工作模式。常见的回旋行波管输入耦合器的结构包括三类：第一类,直接馈入式输入耦合器，该类型输入耦合器结构简单，但不能保证输出较高纯度的工作模式，转换效率低。第二类，同轴式输入耦合器，该类型输入耦合器优点在于转换效率和模式纯度较高，但由于谐振腔结构导致带宽有限、对参数的敏感度高等问题。第三类，基于Y型功分器的侧壁输入耦合器，该类型输入耦合器通过将矩形波导输入的TE₁₀模从圆波导侧壁垂直馈入到输出圆波导中，从而激起其需要的回旋行波管工作模式，其特点为：带宽宽，转换效率高，可以通过合理增加分支来扩展带宽，抑制杂模，但对于激励圆波导的高阶模而言，存在大量的竞争模式，难以实现高模式纯度宽带输入。

在回旋行波管输入耦合器的研究工作中，TE₀₁模、TE₁₃模、TE₁₁模输入耦合器的设计较为普遍，在传统结构的基础上国内外研究者提出了诸多改进方案，如：在圆波导的一端增加布拉格反射器；在圆波导外使用特殊材料吸收杂模，在矩形波导处增加反射匹配段等。但随着应用领域的拓展和对高功率的迫切需求，利用圆波导TE₀₂模2次谐波工作的回旋行波管也逐步展开研究，然而TE₀₂模输入耦合器的相关设计工作国内外都很少有报道。TE₀₂模输入耦合器的设计难点在于TE₀₂模是高阶模，存在多个竞争模态，导致杂模抑制困难、转换效率低、可用频带宽度有限，采用传统的设计方法进行设计，难以得到高纯度宽带TE₀₂模。

发明内容

为了解决回旋行波管TE₀₂模输入耦合器杂模抑制困难，转换效率低，相对带宽窄的问题。本发明提出一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器。该输入耦合器采用斜入式多路合成的结构在圆波导中耦合出高纯度的TE₀₂模。通过改变主圆波导侧壁上矩形波导的分支数目、位置分布和侧壁的矩形波导分支与圆波导之间的夹角来破坏主圆波导中TE₀₂模的主要竞争模式(TE₀₁，TE₄₁)的场分布，改善阻抗匹配，从而达到有效抑制杂模，降低反射系数，提高转换效率，增加带宽的良好设计效果。

本发明采用的技术方案如下：

一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，包括功率分配部分、斜入式多路合成部分和截止圆波导。

所述功率分配部分，将输入端标准矩形波导TE₁₀模微波信号等分为沿径向均匀分布的八路等幅微波信号。具体地，所述功率分配部分，包括标准矩形波导、T型功分器A、两个过渡波导A、两个T型功分器B、四个过渡波导B、四个Y型功分器、八个过渡波导C。TE₁₀模微波信号输入标准矩形波导，经T型功分器A被二等分为两路等幅的二分之一微波信号；每路二分之一微波信号经过一段过渡波导A输入T型功分器B，被等分为两路等幅的四分之一微波信号；每路四分之一微波信号经过一段过渡波导B输入Y型功分器，被等分为两路等幅的八分之一微波信号；八路八分之一微波信号分别经过一段过渡波导C，最终实现输出的八路等幅微波信号径向均匀分布。

进一步地，功率分配部分位于同一水平面上，T型功分器A与T型功分器B尺寸相同，四个Y型功分器尺寸也相同。

进一步地，所述标准矩形波导A与T型功分器A连接处设置有阶梯型匹配段A，所述过渡波导A与T型功分器B连接处设置有阶梯型匹配段B，过渡波导B与Y型功分器之间设置有阶梯型匹配段C。阶梯型匹配段使得功率分配部分结构紧凑，实现了不同尺寸波导间的低损耗阻抗匹配。

进一步地，所述T型功分器A、T型功分器B均设置有匹配凹槽，用于降低T型功分器反射系数。

所述斜入式多路合成部分，由八路斜入式矩形波导、主圆波导构成。所述功率分配部分输出的八路等幅微波信号分别输入一路斜入式矩形波导，然后分别通过一个耦合孔注入主圆波导，最终在主圆波导中合成TE₀₂模。所述主圆波导半径与回旋行波管注-波互作用高频***半径相同。所述八路斜入式矩形波导角向均匀分布于主圆波导外侧，斜入式矩形波导与主圆波导之间的夹角为θ₅，且θ₅≠90°，过渡波导C垂直于主圆波导中轴线且与斜入式矩形之间存在夹角θ₄，满足θ₄+θ₅＝180°，同时，过渡波导C与斜入式矩形波导连接处设置有上倒角和下倒角。

本发明中斜入式矩形波导的分支数及其分布位置根据耦合波理论分析得到。根据耦合波理论，斜入式矩形波导的设置需要保证在破坏竞争模式电场分布的同时在主圆波导中激励出与TE₀₂模式具有相同相位和方向的电场分布。因此，为了获得一个高纯度的TE₀₂模，所述耦合孔必须位于与TE₄₁模具有相反的电场矢量或相位的位置，进一步确定了斜入式矩形波导为八个尺寸完全相同的斜入式矩形波导，其位置分布情况为角向均匀分布。斜入式多路结构有利于抑制杂模且在主圆波导中耦合出与所需的TE₀₂模式具有相同的相位和方向的电场。

进一步，所述斜入式矩形波导与主圆波导之间的夹角θ₅根据微波传播理论确定。具体的，定义靠近截止圆波导的耦合孔的一个顶点为1点，与1点相邻且远离截止圆波导的耦合孔顶点为2点，位于斜入式矩形波导窄边的点为3点，且三个点构成一个直角三角形，根据微波传播理论，为了提高TE₁₀模和TE₀₂模之间的耦合强度，进而提高模式转换效率，需要保证TE₀₂模从附图2中1点传播到2点时，相位的变换与TE₁₀模式从3点传播到2点时的相位变换保持一致，实现相位匹配。

进一步，根据公式(1)(2)确定斜入式矩形波导与主圆波导之间夹角的θ₅。

β₁₀L₁₂＝β₀₂L₂₃ (1)

其中，β₁₀是TE₁₀模的相位常数，β₀₂是TE₀₂模的相位常数，L₁₂是点1与点2之间的距离，L₂₃是点2与点3之间的距离，θ₅是斜入式矩形波导与主圆波导之间的夹角。

所述截止圆波导与斜入式多路合成部分中主圆波导的下端口相连。截止波导半径过小会造成非常严重的电子拦截，半径过大则无法起到良好的截止效果，截止圆波导的最佳半径为圆波导半径的0.7～0.8倍，其作用为减少TE₀₂模反向传输造成的能量损耗。

与传统结构相比较，本发明的创新之处是通过采用多路斜入式矩形波导在主圆波导中合成高阶TE₀₂模，其优势在于通过调整斜入式矩形波导分支数目和斜入式矩形波导与主圆波导之间的夹角角度实现微波信号在耦合孔处的相位匹配和杂模抑制，使本发明回旋行波管TE₀₂模输入耦合器实现了模式纯度高、反射系数低、相对带宽宽的良好设计效果。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明设计的斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器是一种高阶模、高频、宽带的输入耦合器，-0.5dB相对带宽达为：9.1％(208-228GHz)；-1dB相对带宽达为11％(206-230GHz)；反射系数为低于-15dB。

(2)斜入式多路结构的采用：(a)有效抑制主要竞争模式TE₄₁和TE₀₁；(b)提高矩形波导中的TE₁₀模与圆波导中的TE₀₂模在耦合孔处的阻抗匹配，减小反射；(c)使圆波导中耦合出来的TE₀₂模具有良好的方向性。

(3)本发明设计的斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器结构中功率分配部分整***于同一水平面上，三个T型功分器尺寸相同，四个Y型功分器尺寸相同，八个斜入式矩形波导尺寸相同，具有对称结构，便于加工。

附图说明

图1为本发明斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器示意图；

图2为本发明斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器-局部结构示意图；

图3为本发明斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器侧视图；

图4为本发明斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器的TE₀₂模及主要杂模TE₀₁、TE₄₁传输系数；

图5为本发明斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器的反射系数。

具体实施方式

下面结合一个设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：

本实施例工作波段：205-230GHz。

图1为斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器示意图；图2为斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器-局部结构示意图；图3为斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器侧视图。该实施例包括：功率分配部分：标准矩形波导A(1)，阶梯型匹配段A(2)，匹配凹槽(3)，T型功分器A(4)，过渡波导A(5)，T型功分器B(6)，过渡波导B(7)，阶梯型匹配段B(8)，Y型功分器(9)。斜入式多路合成部分：过渡波导C(10)，斜入式矩形波导(11)，主圆波导(12)；截止波导部分：截止圆波导(13)。

1.功率分配部分

标准矩形波导A(1)为标准矩形波导(BJ2200)：宽边尺寸1.092mm，窄边尺寸0.546mm。

阶梯型匹配段A(2)：宽边尺寸1.14mm，窄边尺寸0.78mm，长度0.39mm；其中T型功分器A(4)与两个T型功分器B(6)前端匹配段都为阶梯型匹配段A(2)。

匹配凹槽(3)：宽边尺寸1.27mm，窄边尺寸0.61mm，深度0.26mm。

T型功分器A(4)：输入端口尺寸：宽边尺寸1.27mm，窄边尺寸1mm；两臂尺寸：宽边尺寸1.27mm，窄边尺寸0.7mm；两个T型功分器B(6)与T型功分器A(4)尺寸相等。

过渡波导A(5)：实现90°转弯，宽边尺寸1.27mm，窄边尺寸0.7mm。

过渡波导B(7)：实现135°转弯，宽边尺寸1.27mm，窄边尺寸0.7mm。

阶梯型匹配段B(8)：宽边尺寸1.19mm，窄边尺寸0.81mm，长度0.36mm。

Y型功分器(9)：输入端口尺寸：宽边尺寸1.27mm，窄边尺寸1.2mm；两臂尺寸：宽边尺寸1.27mm，窄边尺寸0.635mm。

过渡波导C(10)：实现八路微波信号径向朝内输出，宽边尺寸1.27mm，窄边尺寸0.635mm。

2.斜入式多路合成部分

斜入式矩形波导(11)：宽边尺寸1.27mm，窄边尺寸0.635mm，长度5mm。

距主圆波导下端t＝1.45mm。

输出端口(12)：主圆波导半径1.69mm，高4mm。

上倒角宽度为0.1mm，角度为23.5°；下倒角宽度为0.98mm，角度为23.5°。

3.截止波导部分

截止圆波导(13)：半径为1.35mm，高为1.5mm。

图1和图2中，θ₁＝90°，θ₂＝135°，θ₃＝45°，θ₄＝133°，θ₅＝47°。

图3可知功率分配部分整***于同一水平面上，主圆波导(12)位于中央，八路斜入式波导(11)对称分布于主圆波导侧壁上，且与主圆波导(11)之间有夹角θ₅＝47°，八路斜入式波导(11)与过渡波导C(10)之间夹角θ₄＝133°，θ₄+θ₅＝180°。

图4为本发明斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器的传输系数。由图可知该回旋行波管输入耦合器的TE₁₀-TE₀₂传输参数的的-0.5dB以上带宽覆盖范围从206GHz到230GHz，-1dB以上带宽覆盖范围从206GHz到230GHz，具有较宽的工作带宽。由图可知，输入端的TE₁₀模到其它模(TE₀₁\TE₄₁)的传输参数比较低，在206GHz到230GHz的频率范围内，均在-15dB以下，可见TE₁₀模到输入端TE₀₂模以外的其他模式得到了较好的抑制，从而实现了TE₁₀-TE₀₂的高效模式转换，输出了具有较高纯度的圆波导TE₀₂模。

图5为本发明斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器的反射系数。由图可知该回旋行波管输入耦合器的的反射系数在206GHz到230GHz的频率范围内均在-15dB左右，满足低反射的工程要求。

以上实例仅为方便说明本发明，本发明提出的斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模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 (8)

1.一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，其特征在于，包括功率分配部分、斜入式多路合成部分和截止圆波导；

所述功率分配部分，将输入端标准矩形波导TE₁₀模微波信号等分为沿径向均匀分布的八路等幅微波信号；

所述斜入式多路合成部分，由八路斜入式矩形波导、主圆波导构成；所述功率分配部分输出的八路等幅微波信号分别输入一路斜入式矩形波导，然后分别通过一个耦合孔注入主圆波导，最终在主圆波导中合成TE₀₂模；所述主圆波导半径与回旋行波管注-波互作用高频***半径相同；所述八路斜入式矩形波导角向均匀分布于主圆波导外侧，斜入式矩形波导与主圆波导之间的夹角为θ₅，且θ₅≠90°，所述功率分配部分输出端垂直于主圆波导中轴线且与斜入式矩形之间存在夹角θ₄，满足θ₄+θ₅＝180°，所述截止圆波导与主圆波导的下端口相连，截止圆波导的半径为主圆波导半径的0.7～0.8倍。

2.如权利要求1所述的一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，其特征在于，所述斜入式矩形波导与主圆波导之间的夹角θ₅根据微波传播理论确定；

定义靠近截止圆波导的耦合孔的一个顶点为1点，与1点相邻且远离截止圆波导的耦合孔顶点为2点，位于斜入式矩形波导窄边的点为3点，且三个点构成一个直角三角形，根据微波传播理论，为了提高TE₁₀模和TE₀₂模之间的耦合强度，进而提高模式转换效率，需要保证TE₀₂模从1点传播到2点时，相位的变换与TE₁₀模式从3点传播到2点时的相位变换保持一致，实现相位匹配。

3.如权利要求2所述的一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，其特征在于，根据公式(1)(2)确定斜入式矩形波导与主圆波导之间夹角的θ₅；

β₁₀L₁₂＝β₀₂L₂₃ (1)

其中，β₁₀是TE₁₀模的相位常数，β₀₂是TE₀₂模的相位常数，L₁₂是点1与点2之间的距离，L₂₃是点2与点3之间的距离。

4.如权利要求1或2所述的一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，其特征在于，所述功率分配部分，包括标准矩形波导、T型功分器A、两个过渡波导A、两个T型功分器B、四个过渡波导B、四个Y型功分器、八个过渡波导C；TE₁₀模微波信号输入标准矩形波导，经T型功分器A被二等分为两路等幅的二分之一微波信号；每路二分之一微波信号经过一段过渡波导A输入T型功分器B，被等分为两路等幅的四分之一微波信号；每路四分之一微波信号经过一段过渡波导B输入Y型功分器，被等分为两路等幅的八分之一微波信号；八路八分之一微波信号分别经过一段过渡波导C，最终实现输出的八路等幅微波信号径向均匀分布。

5.如权利要求4所述的一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，其特征在于，功率分配部分位于同一水平面上，T型功分器A与T型功分器B尺寸相同，四个Y型功分器尺寸也相同。

6.如权利要求4所述的一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，其特征在于，所述标准矩形波导A与T型功分器A连接处设置有阶梯型匹配段A，所述过渡波导A与T型功分器B连接处设置有阶梯型匹配段B，过渡波导B与Y型功分器之间设置有阶梯型匹配段C。

7.如权利要求4所述的一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，其特征在于，所述T型功分器A、T型功分器B均设置有匹配凹槽，用于降低T型功分器反射系数。

8.如权利要求4所述的一种斜入式多路合成回旋行波管TE₀₂模输入耦合器，其特征在于，过渡波导C与斜入式矩形波导连接处设置有上倒角和下倒角。

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