[发明专利]一种回旋行波管的横向输出装置

说明书

技术领域

本发明属于大功率毫米波技术中的功率源技术，具体涉及了一种能直接输出高斯波束的回旋行波管横向输出装置。

背景技术

回旋行波管是一种大功率的宽带毫米波放大器，具有宽频带、高功率、高增益和高效率等特点，在通讯、雷达、精确制导和材料处理等方面有着广泛的应用市场。为了能降低器件的工作损耗以及提高注波互作用效率，回旋行波管通常采用圆波导TE_0,n模作为工作模式。较其他模式而言，TE_0,1模具有更低的传输损耗，是典型的回旋行波管输出模式。

输出装置是回旋行波管的关键组成部分，对输出功率、模式纯度以及整管效率有着巨大的影响。为了实现高功率微波的高效、平稳输出，输出装置要尽可能地抑制工作模式的终端反射。因此，输出装置通常采用半径渐张的圆波导结构，直接与收集极输入端相接，在轴向上实现能量输出。这种轴向输出的方式存在两个方面的不足：一是会导致整管的高度(即轴向长度)增加，不利于安装与摆放；另一方面是输出的波束为工作模式，不利于远距离传输和直接应用。因此，在大功率毫米波系统中，通常需要在回旋管后连接模式变换器，将回旋管的工作模式转换成适宜远距离传输或直接应用的高斯波束。在高功率输出条件下，为保证功率容量，模式变换器需采用过模波导结构。这种基于过模波导的模式变换器，存在工作频带有限、易产生寄生模式、变换长度长、插损大、需要冷却的缺点，不利于回旋行波管性能的充分发挥，大大增加了应用系统的复杂度。

为了实现注波分离、方便采用降压收集极提高整管效率；同时在输出窗口直接实现高斯波束输出，一种基于准光模式变换器的横向输出装置被广泛应用于回旋振荡管中。这种横向输出装置由带有切口的辐射器和镜面修正系统组成。虽然这种结构可以在输出窗口实现高效率的高斯波束输出，但是工作频带窄(通常为点频)，不能实现宽频带回旋管的输出。同时在公开号为CN101562268A发明名称为《一种用于回旋放大器的多波导输出装置》和公开号为CN102509686A发明名称为《回旋行波管多波导输出装置》的专利文献中所公开的横向输出装置，虽然在不同程度上实现了高功率毫米波回旋管的宽频带输出，但是输出的波束仍然为波导模式，依旧存在不方便直接应用和传输、仍需要使用模式变换器将其转换为高斯波束的问题。

发明内容

为了解决大功率回旋行波管存在的输出模式不利于直接应用和空间传输的问题，以及目前大功率毫米波传输系统难以实现宽频带、高效率、紧凑化、小型化等方面的需求问题，本发明提出了一种回旋行波管的横向输出装置。

本发明提出的一种回旋行波管的横向输出装置包括波导过渡段、90度波导转弯段、和圆波导辐射器。

所述波导过渡段将从收集极输出的波束调整到合适大小，实现与90度波导转弯段的匹配。

所述90度波导转弯段的输入口与输出口相互垂直，将纵向输入波束转变为横向输出，并将注入其中的TE₀₁模转换成中介模式TM₁₁模。

所述圆波导辐射器将中介模式TM₁₁模转换成高斯波束，并通过后接的输出窗实现对外输出。

进一步地，所述波导过渡段可以采用直线型、正弦型、切比雪夫型以及非规则曲线等常用波导过渡结构。

进一步地，所述90度波导转弯段为弯曲的圆波导，波导轴线为圆弧型、指数型、正弦型以及其他非规则曲线等方式。

进一步地，所述波导辐射器为波纹槽渐变的波纹喇叭结构，且波纹槽的深度从0渐变到λ/4，λ为波纹槽波导内的导波波长。

进一步地，所述圆波导辐射器的波纹槽为矩形型或正弦型。

进一步地，所述90度波导转弯段的输入与输出口径一致，口径2α与波长λ满足：π为圆周率。

进一步地，所述波纹喇叭结构的波纹槽周期p小于λ/2，且槽深从输入端由0开始变化，到达输出端时变化到λ/4，波纹槽深度变化过程可采用2次曲线、对称正弦曲线等。

进一步地，所述输出装置的材料为铜。

本发明可以达到以下有益效果：

(1)设计的输出装置能直接输出高斯波束，而不是TE₁₁模或TE₀₁模，有利于降低输出窗的设计难度，提高回旋管的输出效率。

(2)通过对输出装置进行设计，可控制输出高斯波束的束腰大小及位置，方便与后续高功率毫米波链路的连接。