[发明专利]一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构

说明书

本发明公开了一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，属于微波、毫米波电真空器件技术领域。应用于85‑100GHz频段，工作模式为TEsubgt;03/subgt;模，包括同轴且依次连接的输入段、过渡段、预群聚段和输出段；输入段、过渡段、预群聚段、输出段的内部腔体为半径相同的圆柱形腔体；其中过渡段的圆柱形腔体外侧加载有锥形介质环结构；预群聚段的圆柱形腔体部分沿角向均匀插入有若干介质插片，且介质插片的长度与预群聚段的长度相同。本发明结构提高了竞争模式的起振长度，增加了起振电流，进而抑制竞争模式的振荡；并实现了回旋行波管稳定的高功率、宽带宽和高增益输出，有效增大高频系统的体积，提高了高频系统的功率容量，降低高频系统的加工难度和成本。

技术领域

本发明属于微波、毫米波电真空器件技术领域，具体涉及一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构。

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在逐渐地加强。

设计回旋行波管首先需要解决其振荡问题，以提高整管稳定性。回旋行波管的振荡由三种因素造成:1)输入段、输出段和高频结构的不匹配导致反射，从而在高频结构注波互作用处形成外部反馈通道造成反射自激振荡。一方面通过优化设计耦合器和输出段可以有效减小反射，另一方面通过在高频结构引入损耗介质从而切断反馈通道，这两种方法相结合可以抑制掉反射所造成的自激振荡。2)电子回旋共振曲线与波导色散曲线交于传播常数的负值区时，此时反向传播的行波与电子注的正向运动形成内部反馈通道从而形成返波振荡。3)由于回旋行波管中电子注工作在弱相对论状态，并且为了得到高增益工作点一般选择在注波作用的切点附近，所对应的工作频率接近截止频率。当电流增大到一定值时，注波互作用的不稳定性区域扩展到传播常数的负值区，会使工作模式发生绝对不稳定性导致的自激振荡。第一种振荡可以通过设计合理的输入输出系统和工作电流或磁场得到避免。对于第二、三种振荡问题，可以采用介质加载电路，提高返波振荡模式的起振长度。

传统的回旋行波管以低阶模作为工作模式，然而例如TE₀₁为工作模式的传统回旋行波管在W波段(95GHz附近)的高频系统半径在2mm左右，结构尺寸过小、功率容量低且容易发生电子截获，此外，由于尺寸较小，也会带来高频系统加工困难。采用高阶模式作为工作模式能有效的解决尺寸在高频段过小的问题。而采用更高阶工作模式会导致回旋行波管非常严重的模式竞争问题，这使得现有的回旋行波管结构，如传统介质加载结构回旋行波管难以稳定工作(特别是在大电流状态下)，因而限制了回旋行波管的高效、宽带、高功率输出。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，该结构具有更大的单位长度衰减量，以此来提高竞争模式的起振长度，增加起振电流，进而抑制竞争模式的振荡；并实现了回旋行波管稳定的高功率、宽带宽和高增益输出，有效增大高频系统的体积，提高了高频系统的功率容量，降低高频系统的加工难度和成本。

本发明采取以下技术方案实现：

一种用于高阶模回旋行波管的高频介质加载结构，其特征在于，应用于85-100GHz频段，工作模式为TE₀₃模，包括同轴且依次连接的输入段、过渡段、预群聚段和输出段；

所述输入段、过渡段、预群聚段、输出段的内部腔体为半径相同的圆柱形腔体；

所述过渡段的圆柱形腔体外侧加载有锥形介质环结构，所述锥形介质环结构的内半径不变，外半径线性增大；

所述预群聚段的圆柱形腔体部分沿角向均匀插入有若干介质插片，且介质插片的长度与预群聚段的长度相同。

进一步地，所述介质插片的数量为8-12。