[发明专利]一种宽带介质加载回旋行波管高频系统

说明书

本发明公开了一种新型宽带介质加载回旋行波管高频系统，属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域。该系统包括依次连接的预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段，预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段包括金属圆波导外壳、贴合圆波导内壁加载的环形无损介质加载波导，线性放大段角向均匀地设置有矩形有损介质片，并沿轴向呈周期性分布。本发明通过加载无损介质波导，改变整个高频结构色散特性，使电子注曲线与波导色散曲线在宽频段范围内满足谐振条件，确保宽频带工作特性；同时采用渐变的输出结构，解决高频点增益低带来的输出功率低问题。本发明即能满足宽频带工作需求，又能在频带范围内提供较高的微波功率输出。

技术领域

本发明属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域，具体涉及一种宽带介质加载回旋行波管高频系统，可以应用在毫米波及太赫兹波段的回旋行波管。

背景技术

回旋行波管是一种基于电子回旋脉塞效应的微波放大器，在微波、毫米波乃至太赫兹频段内，有产生宽频带、大功率、高效率的电磁波输出的能力，其广泛应用于微波通信系统、毫米波对抗、毫米波成像系统等方面。目前而言，回旋行波管正处于快速发展的阶段，提高输出功率与扩展频率带宽是两个主要的发展方向。

传统回旋行波管的高频结构的互作用结构是光滑波导，该结构能在较宽的频带范围内获得高功率的微波输出，但其结构特性使其容易产生寄生模式振荡，极大地降低了其微波输出带宽和输出功率，限制了回旋行波管的快速发展。为了克服传统结构的缺点，提高输出功率、扩展带宽，介质加载高频结构应运而生。

介质加载结构是由台湾清华大学朱国瑞团队率先提出，它由光滑波导与加载介质层组成，其中介质层采用涂敷等方式加载到光滑波导表面。介质层对不同的寄生模式的衰减特性不同，这种特性能有效用于对返波互作用的寄生模式振荡的抑制，即加载后的高频结构具有了一定的模式选择特性，有效地解决了传统结构带来的模式振荡问题。美国NRL进行了介质加载回旋行波管的实验研究，该结构采用在光滑波导线性放大段外壁角向加载介质切片的方式实现介质加载，热测结果表明，该管实现了在Ka波段78kW峰值功率稳定的微波输出，其3dB带宽为4.2GHz(详见“TE₁₁Ka-Band Gyro-TWT Amplifier with High-AveragePower Compatible Distributed Loss”，作者：D.E.Pershing 等人，2004年)。国内北京真空电子技术研究所同样的针对介质加载结构回旋行波管进行了理论与实验研究，该管采用了在线性段周期均匀加载无损介质的高频结构，实验表明，该管实现在Ka波段156kW的峰值功率微波输出，其饱和增益为44dB，输出频谱纯净，没有寄生模式振荡，但其高频结构3dB带宽仅为1.8GHz，(详见“Design and Experimental Study of a Ka-band Gyro-TWT WithPeriodic Dielectric Loaded Circuits”，作者：刘本田，2011年)，可以看出现有介质加载高频结构并没有较好的解决输出功率与输出带宽相互制约的问题。

发明内容

本发明提出了一种介质加载宽带回旋行波管高频系统，解决了现有介质加载结构无法同时满足宽频带工作及较高功率输出的问题。不同于现有结构中仅在高频结构线性段区域加载有损介质。本发明通过在整个高频系统均加载无损介质，改变整个高频结构色散特性，使电子注曲线与波导色散曲线在宽频段范围内满足谐振条件，确保高频结构宽频带工作特性。同时采用渐变的输出结构，解决高频点增益低带来的输出功率低问题，从而使得该回旋行波管高频系统既能满足宽频带工作需求，又能在频带范围内提供较高的微波功率输出。

本发明采取以下的技术方案实现：

一种宽带介质加载回旋行波管高频系统，包括依次连接的预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段，其特征在于：所述预群聚段、线性放大段、非线性放大段、以及输出渐变段均包括金属圆波导外壳、贴合圆波导内壁加载的环形无损介质加载波导，所述线性放大段角向均匀地设置有矩形有损介质片，并沿轴向呈周期性分布。