本發(fā)明屬于大功率毫米波技術(shù)中的功率源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能直接輸出線極化高斯波束的回旋行波管橫向輸出裝置。

背景技術(shù)：

回旋行波管是一種大功率的寬帶毫米波放大器，具有寬頻帶、高功率、高增益和高效率等特點(diǎn)，在通訊、雷達(dá)、精確制導(dǎo)和材料處理等方面有著廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。在回旋行波管的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，寄生諧振(包括輸入輸出及局部結(jié)構(gòu)引起的反射、工作模式在截至頻域的不穩(wěn)定、返波諧振等)的抑制是設(shè)計(jì)過(guò)程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。TE_1,1模作為圓波導(dǎo)的基模，不僅有利于減少器件內(nèi)模式競(jìng)爭(zhēng)，還有利于提高器件增益，是回旋行波管常用的工作模式。

輸出裝置是回旋行波管的關(guān)鍵組成部分，對(duì)輸出功率、模式純度以及整管效率有著重要的影響。為了實(shí)現(xiàn)電磁能量的高效、平穩(wěn)輸出，輸出裝置要盡可能地抑制工作模式的終端反射。因此，輸出裝置通常采用半徑漸張的圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，直接與收集極輸入端相接，在軸向上實(shí)現(xiàn)能量輸出。對(duì)于工作模式為T(mén)E_1,1模的回旋行波管而言，這種傳統(tǒng)的軸向輸出的方式在應(yīng)用中會(huì)存在以下兩種不足：一是互作用區(qū)輸出為圓極化TE_1,1模經(jīng)輸出結(jié)構(gòu)輸出后，仍然為圓極化波。傳輸鏈路中存在的不勻稱(chēng)(彎頭的使用、傳輸波導(dǎo)的不均勻性)均會(huì)導(dǎo)致相位發(fā)生變化，從而惡化波束的軸比；二是TE_1,1模損耗較大，不利于遠(yuǎn)距離傳輸和直接應(yīng)用。因此，通常需要在回旋管后連接模式變換器、圓極化器，將回旋管的工作模式轉(zhuǎn)換成適宜遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木€極化高斯波束。在大功率輸出條件下，為保證功率容量，模式變換器、圓極化器等功能器件均需采用過(guò)模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種過(guò)模結(jié)構(gòu)的模式變換器，存在易產(chǎn)生寄生模式、變換長(zhǎng)度長(zhǎng)、插損大、需要冷卻的缺點(diǎn)，一方面不利于回旋行波管性能的充分發(fā)揮，另一方面也大大增加了整個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決TE_1,1?；匦胁ü艽嬖诘妮敵瞿Ｊ讲焕谥苯討?yīng)用和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題，以及對(duì)應(yīng)的大功率毫米波傳輸系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)高效率、緊湊化、小型化等方面的需求問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種回旋行波管的輸出裝置，能有效輸出線極化高斯波束，不再需要外接模式變換器、圓極化器等器件。

本發(fā)明提出的一種回旋行波管的輸出裝置，包括依次連接的圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段、橢圓波導(dǎo)段、橢圓-圓波導(dǎo)過(guò)渡段和圓波導(dǎo)輻射器，四者內(nèi)壁光滑過(guò)渡且波導(dǎo)中心線共軸。

所述圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段連接回旋行波管收集極的輸出端，將輸出的圓極化TE_1,1模分解成幅值相等、相位相差90度的一對(duì)簡(jiǎn)并模。

所述橢圓波導(dǎo)段將簡(jiǎn)并模中一個(gè)極化方向的模式轉(zhuǎn)化為與之電場(chǎng)方向垂直的另一方向上，實(shí)現(xiàn)圓極化到線極化的轉(zhuǎn)化，得到線極化TE_1,1模。

所述橢圓-圓波導(dǎo)過(guò)渡段將橢圓波導(dǎo)過(guò)渡到圓波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)與圓波導(dǎo)輻射器的良好匹配。

所述圓波導(dǎo)輻射器將線極化TE_1,1模轉(zhuǎn)換成高斯波束，并通過(guò)后接的輸出窗實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出。

進(jìn)一步地，所述圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段為內(nèi)壁光滑的漸變結(jié)構(gòu)，輸入端的尺寸與收集極輸出口徑一致，輸出端口徑與橢圓波導(dǎo)段一致。

進(jìn)一步地，所述橢圓波導(dǎo)段，其截面半徑滿(mǎn)足

r(φ)＝a₀+a₁ cos(2φ)。

其中，a₀為橢圓波導(dǎo)平均半徑，a₁為角向擾動(dòng)因子，且(a₀-a₁)f≥0.8785*10⁸，f為中心頻率，φ為角度。

進(jìn)一步地，所述圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段為內(nèi)壁光滑的漸變結(jié)構(gòu)，其輸入端的尺寸與收集極輸出口徑一致，輸出端口徑與橢圓波導(dǎo)段一致。

進(jìn)一步地，所述波導(dǎo)輻射器與橢圓-圓波導(dǎo)過(guò)渡段連接的一段設(shè)置為圓波導(dǎo)，另一段為內(nèi)壁光滑的波導(dǎo)喇叭，且喇叭內(nèi)徑變化方式可以是連續(xù)漸張型、先張后縮型、腰鼓型、張-縮-張型等。

進(jìn)一步地，圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段、橢圓波導(dǎo)段、橢-圓波導(dǎo)過(guò)渡段可以單獨(dú)組合使用，實(shí)現(xiàn)線極化TE_1,1模的輸出。

進(jìn)一步地，波導(dǎo)輻射器也可以單獨(dú)使用，即波導(dǎo)輻射器直接連接收集極輸出端，實(shí)現(xiàn)圓極化高斯波束輸出。

進(jìn)一步地，所述輸出裝置的材料為銅。

本發(fā)明的工作原理如下：從回旋行波管收集極輸出的圓極化TE_1,1模依次經(jīng)過(guò)圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段、橢圓波導(dǎo)段、橢圓-圓波導(dǎo)過(guò)渡段后，會(huì)被轉(zhuǎn)化成線極化TE_1,1模。進(jìn)入波導(dǎo)輻射器后，線極化TE_1,1模被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成線極化的高斯波束或者HE_1,1模。最終透過(guò)后續(xù)的介質(zhì)窗，實(shí)現(xiàn)對(duì)外輸出。

本發(fā)明可以達(dá)到以下有益效果：

(1)設(shè)計(jì)的輸出裝置能直接輸出高斯波束，而不是TE_1,1模，有利于降低輸出窗的設(shè)計(jì)難度，提高回旋管的輸出效率。

(2)通過(guò)對(duì)輸出裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，可控制輸出高斯波束的束腰大小及位置，方便與后續(xù)高功率毫米波鏈路的連接。

(3)設(shè)計(jì)的輸出裝置能輸出線極化波而不是圓極化波，不必?fù)?dān)心傳輸鏈路不均勻性引起的相位變化，有利于降低加工及安裝要求。

(4)設(shè)計(jì)的輸出裝置能直接輸出高斯波束，不需要使用外接過(guò)模波導(dǎo)模式變換器，不僅有利于實(shí)現(xiàn)大功率毫米波回旋行波管的寬頻帶、高效率和高功率工作，還有利于大功率毫米波應(yīng)用系統(tǒng)的緊湊化和小型化。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為輸出裝置的駐波特性；

圖3為輸出裝置在頻率為f＝31GHz時(shí)的輸出場(chǎng)分布；

圖4為輸出裝置在頻率為f＝35GHz時(shí)的輸出場(chǎng)分布；

圖5為輸出裝置在頻率為f＝37GHz時(shí)的輸出場(chǎng)分布。

圖中：1為圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段、2為橢圓波導(dǎo)段、3為橢圓-圓波導(dǎo)過(guò)渡段、4波導(dǎo)輻射器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

參見(jiàn)圖1，以Ku波段回旋行波管的橫向輸出裝置為例。該輸出裝置材料為銅，屬于內(nèi)置型部件，整體安裝在回旋管內(nèi)的真空環(huán)境中，由圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段、橢圓波導(dǎo)段、橢圓-圓波導(dǎo)過(guò)渡段和圓波導(dǎo)輻射器段組成。這四個(gè)部分依次連接且內(nèi)腔平滑過(guò)渡。

圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段為內(nèi)壁光滑的波導(dǎo)，圓波導(dǎo)內(nèi)壁半徑為7.7mm，橢園波導(dǎo)半徑為7.7mm，角向擾動(dòng)因子為0.27mm，過(guò)渡段長(zhǎng)13.5mm。圓-橢圓波導(dǎo)過(guò)渡段作為饋電輸入結(jié)構(gòu)，與回旋管的收集極相接，將輸出的圓極化TE_1,1模分解成幅值相等、相位相差90度的一對(duì)簡(jiǎn)并模。

橢圓波導(dǎo)段為規(guī)則橢圓波導(dǎo)，長(zhǎng)軸為7.97mm，短軸為7.43mm，長(zhǎng)度為50.5mm。橢圓波導(dǎo)段將產(chǎn)生的電場(chǎng)方向垂直的簡(jiǎn)并模為單一線極化模式，實(shí)現(xiàn)圓極化向線極化的轉(zhuǎn)換。

橢圓-圓波導(dǎo)過(guò)渡段的入口尺寸為規(guī)則橢圓波導(dǎo)尺寸，輸出端為半徑7.7mm圓波導(dǎo)，該過(guò)渡段長(zhǎng)為13.5mm。

圓波導(dǎo)輻射器與橢圓-圓波導(dǎo)過(guò)渡段連接的一段設(shè)置為圓波導(dǎo)，圓波導(dǎo)長(zhǎng)度為10mm；另一段為內(nèi)壁光滑的張-縮-張型波導(dǎo)喇叭，輸入端半徑為7.7mm，輸出端半徑為16mm，長(zhǎng)度為49.44mm；通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)喇叭波導(dǎo)內(nèi)壁曲線就能控制波導(dǎo)模式的成分及耦合量，從而調(diào)整輻射器的波束寬度、副瓣電平增益。

整個(gè)輸出裝置總長(zhǎng)度為135.94mm，僅為中心頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)的6.3倍，結(jié)構(gòu)緊湊。

參見(jiàn)圖2，在13GHz-17GHz的頻率范圍內(nèi)，ku波段回旋行波管的橫向輸出裝置的反射均低于20dB。參見(jiàn)圖3-5，在頻率為13-17GHz的范圍內(nèi)，Ka波段回旋行波管的橫向輸出裝置的輻射場(chǎng)具有良好的對(duì)稱(chēng)性，表明輸出場(chǎng)分布為高斯波束。

把此結(jié)構(gòu)應(yīng)用回旋行波管上，實(shí)現(xiàn)了大功率毫米波線極化高斯波束輸出。

作為大功率回旋行波管的重要組成部分，輸出裝置的性能對(duì)于整管的效率、增益以及后續(xù)的傳輸應(yīng)用均有重要影響。本發(fā)明設(shè)計(jì)的回旋行波管輸出裝置能在寬頻帶內(nèi)直接輸出線極化高斯波束，在實(shí)際應(yīng)用中不再需要使用模式變換器、圓極化器等功能器件，不僅有利于提高大功率毫米波系統(tǒng)的效率，還有利于大功率毫米波系統(tǒng)的緊湊化設(shè)計(jì)。