具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

需要说明的是，为便于理解，本文图1以剖视部分示意性示出交错栅行波管慢波结构中波导的金属部分，图2-6以线条包围部分示出行波管波导的真空部分。

图2示出现有技术交错栅行波管的输能耦合结构200示意图。该耦合结构为三分支波导耦合结构，包括用于电磁波输入输出的波导分支210，该分支波导截面以201标示；慢波结构分支220；和行波管电子枪或收集极侧分支230，该分支截面以203标示。慢波结构分支和电子枪或收集极分支的延伸方向为电子注通道的方向，也称为行波管的轴向。输入输出波导与慢波结构波导通过沿轴向设置的阶梯状渐变波导221耦合，实现性能参数和结构尺寸的匹配。输入输出波导与电子枪或收集极侧波导的耦合结构包括垂直于电子注通道设置的多个布拉格反射器231，用于反射和隔离输入或输出电磁波向电子枪或收集极的传输。如图所示常规三分支波导结构，输入输出波导的端面201的高度大于波导截面203的高度，并通过渐变波导221与慢波结构波导匹配。

理想情况下，希望电磁波输能波导与慢波结构波导实现匹配，同时二者都与电子枪或收集极结构隔离。例如，要求耦合结构的反射特性：S₁₁,S₂₂<-10dB；隔离特性：S₃₁,S₃₂<-10dB。为了实现隔离特性，在电子枪或收集极侧设置反射器231。反射器的原理是模拟传输线的开路负载，形成等效电边界，从而对电磁波信号实现全反射。然而单级反射隔离器通常不能在满足隔离特性的同时又兼顾匹配特性，即尽可能保证从慢波结构一侧来的信号反射后沿着输能一侧传输，而从输能侧来的信号反射后向慢波结构侧传输。为此，通常的做法是采用多级反射器设置，如图2所示的多个布拉格反射器。这就使得电路长度增加。因此，现有技术的输能耦合结构存在轴向长度过大且结构复杂的问题。

图3示出根据本发明第一实施方式的交错栅行波管的输能耦合结构300示意图。该耦合结构为三分支波导耦合结构，包括用于电磁波输入输出的波导分支310，其波导截面以301标示；慢波结构分支320，其波导截面以302标示；和行波管电子枪或收集极侧波导分支330，其波导截面以303标示。慢波结构分支和电子枪或收集极分支的延伸方向为电子注通道的方向。耦合结构300在三个分支具有相同的高度，且在三分支的交互区域沿高度方向设置有脊加载311。脊加载可以是凸起的圆脊，也可以是其他形状的脊加载，可以与一侧波导一体形成。通过设置该脊加载，可以降低波导的介质频率，由此改善输能分支和慢波结构分支的传输匹配特征。优选脊加载的中心位于输能波导宽边中线上，位于输能波导侧。脊加载的高度优选是耦合结构高度的10-30％。脊加载的大小和个数可以根据隔离耦合结构的性能参数设计决定，来获得匹配效果和隔离效果的双重改善。本发明通过在耦合结构的输能波导内设置脊波导，可以省略现有技术中输能波导和慢波结构之间的渐变波导结构，显著缩小耦合结构的轴向尺寸。

为进一步改善反射、隔离特性，根据本发明的耦合结构在电子枪或收集极侧设置有反射器结构。因为本发明在输能波导内的脊波导起到了电磁波的隔离作用，如果需要可以只采用一个反射器，这进一步缩小了本发明耦合结构的轴向尺寸。

根据本发明的优选实施方式，进一步提供一种匹配性能可调谐的输能耦合结构。图6示出根据本发明第二实施方式的输能耦合结构示意图。如图所示，该耦合结构在输能波导宽度方向形成有脊孔和与脊孔匹配的调谐钉。可以在耦合结构装配时，通过调节调谐钉在波导中的深度，对耦合结构的匹配和隔离性能实现调谐，以克服电路加工、装配和焊接过程中引入的误差及特性变化，使得到的耦合结构满足设计要求。确定好调谐钉的高度后对调谐钉进行焊接固定，得到经调谐的输能耦合结构。

根据本发明的再一优选实施方式，提供一种交错栅行波管，包括电子枪、输入耦合结构、高频系统、输出耦合结构和收集极，和磁聚焦系统。输入耦合结构和输出耦合结构分别为如上所述的输能耦合结构。输入耦合结构的三分支波导分别与电子枪、电磁波输入波导耦合，并与交错栅慢波结构直接耦合。输出耦合结构的三分支波导分别收集极、电磁波输出波导耦合，并与高频系统的慢波结构直接耦合。根据本发明的行波管的输入耦合结构和输出耦合结构为H面耦合结构，微波分别平行于磁聚焦系统平面输入和输出。

下面将以应用于电磁波输入波导、电子枪和慢波结构的输入耦合结构为例，具体说明根据本发明的结构和性能效果。

实例1

根据本发明实例1的耦合结构如图3所示，为包括输入波导分支310，慢波结构分支320和电子枪分支330的三分支耦合器。该耦合结构在三个分支的波导截面的尺寸宽度a和高度b分别为0.78mm和0.35mm，脊加载的直径R为0.37mm，高度dh为0.07mm，如图4所示，中心位于输入分支宽度的中心线上，邻近输入波导一侧。该实例的输入耦合器，例如采用两片式结构，在其中一片波导上一体加工圆柱状脊加载，以保证精度。耦合结构在电子枪一侧设置有一个布拉格反射器。输入波导宽度中心线与慢波结构入口之间的尺寸为1.28mm，是慢波结构的周期长度0.51mm的2.5倍。输入波导和慢波结构耦合部分具有弧度结构。利用电磁仿真软件CST对实例1的性能进行仿真计算。得到如图7所示结果。其中S11_a曲线表示匹配特性，即功率从波导端口馈入时的反射特性，图中在210-230GHz频率范围内，反射小于-20dB；S21_a表示了功率的传输特性，其数值越接近零越好，表示馈入的功率几乎都传输至慢波结构方向；S31_a曲线代表了电子枪侧的隔离特性。

对比例1

不同于实例1，该对比例的耦合结构，除没有形成脊加载外，其他结构与实例1的结构相同。利用CST软件对实例1的匹配参数和隔离参数进行仿真，得到如图7中曲线S11_b所示结果。通过与S11_a比较，可以看到没有脊加载时，匹配特性明显较差。换句换说，脊加载明显改善了普通三分支波导的匹配特性。

对比例2

该对比例2的耦合结构具有与实例1相同的频段。不同于实例1，该耦合结构没有形成脊加载，而在输入波导和慢波结构之间设置有朝向慢波结构的两个阶梯过渡波导，如图5所示。根据公开报道的文献，在与本发明相同频段，两级过渡波导的长度分别为：l_s1＝0.6mm，l_s2＝1.2mm，慢波结构的周期长度为0.51mm，因此这两级过渡波导的长度相当于3.6个慢波结构周期。需要注意到，在行波管输入和输出耦合结构都要采用过渡波导的情况下，行波管仅阶梯过渡段就超过7个慢波结构周期。

相比于采用多阶梯过渡波导的结构，根据本发明的在输入波导结构原位添加负载的方法不增加耦合结构的长度，保持了结构的紧凑性。此外，由于脊加载具有良好的参数调节特性，因此采用单节反射隔离器即可满足性能要求，进一步缩短了耦合器长度。可以看到，根据本发明的实例的耦合结构在210GHz至230GHz范围内，匹配特性S₁₁,S₂₂<-20dB，同时隔离<-10dB。完全满足实用要求。

实例2

根据本发明实例2的耦合结构如图6所示，为包括输入波导分支，慢波结构分支和电子枪分支的三分支波导耦合器。该实例的输入耦合器在实际制作中依然采用两片式结构，但不同于实例1中直接加工凸起脊柱的方式，该实例是在其中一片波导上制作与脊加载直径一致的通孔，并且配合加工调谐钉。在测试中，首先通过模具将两片波导夹紧，通过调节调谐钉的插入深度修正耦合器的匹配特性。调谐钉插入波导内的深度在0.05mm至0.1mm之间。该精度范围内的深度变化可以通过外置精密调谐组件控制实现。在满足要求后将销钉固定，将两片电路焊接成为一个整体。

可以看出，根据本发明的可调谐耦合结构，在不改变尺寸和形状的情况下，通过改变脊加载的高度就可以调节匹配特性。这为实际的耦合结构增加了有效的微调机制，可以补偿加工、装配和焊接过程导致的匹配性能变差。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。