CN115458890B - 一种脊加载斜入式多路合成te03模输入耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器,属于微波、毫米波电真空器件技术领域。该输入耦合器包括功率分配部分、脊加载斜入式多路合成部分和加载有损陶瓷环的截止圆波导部分。采用斜入式多路合成的结构在主圆波导中耦合出纯度较高的TE03模,通过在主圆波导侧壁上设置波导脊,调整矩形波导位置分布和斜入式矩形波导与圆波导之间的夹角来抑制主圆波导中TE03模的主要竞争模式,从而实现抑制杂模,降低反射系数,提高转换效率和扩展输入带宽的效果。同时,有损陶瓷环加载可有效地抑制反向波传输,并且其内半径较传统输入耦合器的截止波导大,降低了发生电子截获的概率,提高电子束的流通率。
Description
技术领域
本发明属于微波、毫米波电真空器件技术领域,具体涉及一种脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器。
背景技术
回旋行波管是一种基于相对论电子回旋脉塞机理的电真空器件,在毫米波段具有高功率、宽频带的特点,因而在毫米波雷达、毫米波通讯、电子战等方面具有广泛的应用前景,因此在国际上也成为了众多科研单位的研究热点之一,国内回旋行波管的研究实力也逐渐地加强。
输入耦合器是回旋行波管输入***的关键构成部件,其主要作用是将输入微波信号耦合到圆波导中,激励出回旋行波管的工作模式TEmn模。因此,输入耦合器在设计过程中需要满足转换效率高、模式纯度高、工作带宽宽、功率容量大、加工简单、结构紧凑等特点才能保证回旋行波管的良好工作性能。输入耦合器是一个三端口器件,分别是与标准矩形波导连接矩形输入端口,与电子枪相连的圆波导输出端口(该方向波导为截止波导,微波不能传输),以及与注-波互作用区相连接的圆波导输出端口。回旋行波管输入耦合器的种类很多。其中,圆波导侧壁激励结构输入耦合器是回旋行波管中较为常用的一种结构,其特点为:带宽宽,转换效率高,可通过合理增加分支来增加带宽、抑制杂模。然而对于激励圆波导的高阶模而言,存在大量的竞争模式,难以实现高纯度宽带输入。
在传统的回旋行波管的研究工作中,常常以低阶模(如TE01模、TE11模、TE21模等)作为工作模式,然而随着应用领域的拓展和对高功率的迫切需求,对利用高阶模作为工作模式的回旋行波管的研究也逐步展开。本发明提出利用圆波导TE03模工作的回旋行波管输入耦合器,其难点在于TE03模是高阶模,竞争模式较多且难以抑制、转换效率低、可用的频带宽度有限,采用已有的设计方法,难以得到纯度较高的TE03模。
发明内容
本发明提出了一种用于回旋行波管的脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器,用以解决回旋行波管传统输入耦合器以高阶模作为工作模式时,抑制竞争模式困难,转换效率低,相对带宽窄的问题。该耦合器在圆波导上角向均匀加脊,并采用斜入式多路合成的结构在圆波导中耦合出高纯度的TE03模。通过改变主圆波导侧壁上脊的尺寸、位置分布、深度,斜入式矩形波导的位置分布,以及斜入式矩形波导与圆波导之间的夹角来抑制主圆波导中TE03模的主要竞争模式(TE01,TE02)的场分布,改善阻抗匹配,从而实现抑制杂模,降低反射系数,提高转换效率,增加带宽的效果。此外,采用有损陶瓷环加载取代传统截止波导,对反向传输波进行抑制,此结构可使截止波的内半径较传统结构的截止波导半径大,因而可降低电子截获发生的概率。
本发明采取以下技术方案实现:
一种用于回旋行波管的脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器,应用于210-220GHz频段,工作模式为TE03模;该结构包括功率分配部分、脊加载斜入式多路合成部分和截止圆波导。
其中,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。
所述脊加载斜入式多路合成部分,包括主圆波导、八路斜入式矩形波导、八个波导脊。
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°。
所述波导脊角向均匀分布于主圆波导内壁,且与相邻耦合孔间距相同。
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TE03模。
所述截止圆波导为加载有陶瓷环的圆波导,截止圆波导的上端与主圆波导的下端口相连。
进一步地,所述陶瓷环的内半径与主圆波导半径相同。
进一步地,所述功率分配部分,包括标准矩形波导A、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A,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,最终实现八路等幅微波信号径向均匀输出。
进一步地,所述波导脊的长度取值范围为4.4mm-4.5mm,宽度取值范围为0.4mm-0.5mm,深度取值范围为0.4mm-0.5mm;所述波导脊下端距主圆波导下端距离取值范围为0.05mm-0.15mm。
本发明提出的脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器。主要特点是:
(1)在主圆波导侧壁上角向均匀加脊,通过改变脊的尺寸、位置分布、深度可有效实现对边廊模(竞争模式)的抑制。
(2)八路斜入射矩形波导和主圆波导构成斜入射多路合成部分。八个尺寸完全相同的矩形波导角向均匀分布于主圆波导的外侧。
(3)加载有损陶瓷环取代截止波导段,可以使半径增大的同时有效的抑制波的反向传输。
与传统的结构相比,本发明的创新之处有两点:一、通过采用脊加载多路斜入式矩形波导在圆波导中合成高阶TE03模作为工作模式,其优势在于通过调整脊的相关参数、斜入式矩型波导的位置分布及其与主圆波导之间的夹角角度,可以实现微波信号在耦合孔处的相位匹配和杂模抑制。二、截止圆波导部分被加载有损陶瓷环的结构替代,可有效地抑制反向波,并且其内半径较传统结构增大,降低了发生电子截获的概率。
附图说明
图1脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器整体示意图。
图2脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器局部结构示意图。
图3脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器的TE03模及主要杂模TE01、TE02、TE81传输系数。
图4脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器的反射系数。
附图标号说明:1.标准矩形波导,2.匹配凹槽A,3.T型功分器A,4.过渡波导A,5.匹配凹槽B,6.T型功分器B,7.过渡波导B,8.Y型功分器,9.过渡波导C,10.斜入式矩形波导,11.波导脊,12.主圆波导,13.陶瓷环。
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:
本发明中脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器技术指标要求:工作模式:TE03模;工作频率:210-220GHz。
图1为脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器整体示意图;图2为脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器局部结构示意图。该结构包括功率分配部分、脊加载斜入式多路合成部分和截止圆波导。
所述功率分配部分,包括标准矩形波导A、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A,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。其中T型功分器A中设置有匹配凹槽A,T型功分器B中设置有匹配凹槽B。
所述脊加载斜入式多路合成部分,包括主圆波导、八路斜入式矩形波导、八个波导脊。
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。
所述波导脊角向均匀分布于主圆波导内壁,且与相邻耦合孔间距相同。
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TE03模。
所述截止圆波导为加载有陶瓷环的圆波导,截止圆波导的上端与主圆波导的下端口相连。
各结构的具体参数如下:
(1)标准矩型波导A为标准矩型波导(BJ1800):宽边尺寸:1.296mm,窄边尺寸:0.648mm。
(2)匹配凹槽A:宽边尺寸:1.296mm,窄边尺寸:0.648mm,深度1.265mm。
(3)T型功分器A:两臂尺寸:宽边尺寸:1.296mm,窄边尺寸:0.648mm。
(4)过渡波导A:实现90°转弯,宽边尺寸1.296mm,窄边尺寸:0.648mm。
(5)匹配凹槽B:宽边尺寸:1.296mm,窄边尺寸:0.648mm,深度1.265mm。
(6)T型功分器B:尺寸与T型功分器相同。
(7)过渡波导B:实现135°转弯,宽边尺寸:1.296mm,窄边尺寸:0.648mm。
(8)过渡波导C:输入端口尺寸与过渡波导B相同;输出端口与Y型功分器相连,为边长1.000mm的正方形。
(9)Y型功分器:输入端口尺寸与过渡波导C输出端口相同;两臂尺寸:宽边尺寸:1.000mm,窄边尺寸:0.608mm。
(10)过渡波导D:实现八路微波信号沿主圆波导径向向内传输,宽边尺寸:1.000mm,窄边尺寸:0.608mm。
(11)斜入式矩形波导:宽边尺寸:1.000mm,窄边尺寸:0.608mm。
(12)波导脊:宽边尺寸:4.557mm,窄边尺寸:0.470mm,深度:0.425mm,下边缘距主圆波导下端距离:0.110mm。
(13)主圆波导:半径:2.350mm,高度:6.000mm。
(14)有损陶瓷环材料为:BeO-TiO2衰减陶瓷;内半径:2.350mm,外半径:2.500mm,高度:3.000mm。
此外,θ1=90°,θ2=135°,θ3=60°,θ4=43.6°,θ5=136.4°。
如附图2所示,斜入式矩型波导与主圆波导间的夹角θ5,其大小根据微波传播理论确定,计算出合适的倾斜角度即可对TE01模和TE02模起到一定的抑制作用。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TE03模之间的耦合强度,进而提高模式转换效率,需要保证TE03模从1点传播导2点时,相位的变换与TE10模从3点传播到2点时的相位变换保持一致,实现相位匹配。计算公式为:
其中,β10是TE10模的相位常数,β03是TE03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是斜入式矩型波导与主圆波导间的夹角。
图3为本发明脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器的TE03模及主要杂模TE01、TE02传输系数。由图可知,TE03模的传输系数S21大于-2.5dB的相对带宽为2.7%。输入端的TE10模到其它模(TE01、TE02)的传输参数比较低,在210GHz到220GHz的频率范围内,均在-10dB以下,可竞争模式得到了较好的抑制,从而实现了TE10-TE03的高效模式转换,输出了具有较高纯度的圆波导TE03模。
图4为本发明脊加载斜入式多路合成TE03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反射系数,在210GHz到220GHz的频率范围内均小于-5dB。
Claims (3)
1.一种脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器,应用于210-220GHz频段,工作模式为TE03模;所述耦合器包括功率分配部分、脊加载斜入式多路合成部分和截止圆波导;
其中,所述功率分配部分,包括标准矩形波导A、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A,经T型功分器A被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,最终实现八路等幅微波信号径向均匀输出;
所述脊加载斜入式多路合成部分,包括主圆波导、八路斜入式矩形波导、八个波导脊;
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°;
所述波导脊角向均匀分布于主圆波导内壁,且与相邻耦合孔间距相同;
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TE03模;
所述截止圆波导为加载有陶瓷环的圆波导,截止圆波导的上端与主圆波导的下端口相连。
2.如权利要求1所述的一种脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器,其特征在于,所述陶瓷环的内半径与主圆波导半径相同。
3.如权利要求1或2所述的一种脊加载斜入式多路合成TE03模输入耦合器,其特征在于,所述波导脊的长度取值范围为4.4mm-4.5mm,宽度取值范围为0.4mm-0.5mm,深度取值范围为0.4mm-0.5mm;所述波导脊下端距主圆波导下端距离取值范围为0.05mm-0.15mm。
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