阅读说明：本技术 一种应用于介质加载回旋行波管中的角向功分波导结构 (Angular power division waveguide structure applied to medium-loaded gyrotron traveling wave tube ) 是由 徐勇 郑智斌 毛娅 刘智航 田辰彦 王高磊 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种应用于介质加载回旋行波管中的角向功分波导结构,涉及微波、毫米波电真空器件技术领域。本发明的角向功分波导结构设置于介质加载互作用段和输出波导段之间；角向功分波导结构包括：圆波导、N个正向角向功分波导、N个逆向角向功分波导；正向角向功分波导为沿圆波导外壁角向均匀分布的斜出式矩形波导,逆向角向功分波导为沿圆波导外壁角向均匀分布的斜入式矩形波导。回旋行波管在预群聚阶段产生的电磁波在进入角向功分波导结构后,绝大部分电磁波能量直接传播到角向功分波导中,进而被吸波结构吸收；角向功分波导结构增加了耗散面积,提高了回旋行波管平均功率容量,并且角向功分波导结构还有效缩短了介质加载段的长度。(The invention discloses an angular power division waveguide structure applied to a medium-loaded gyrotron traveling wave tube, and relates to the technical field of microwave and millimeter wave electro-vacuum devices. The angular power division waveguide structure is arranged between a medium loading interaction section and an output waveguide section; the angular power division waveguide structure comprises: the waveguide comprises a circular waveguide, N forward angular power distribution waveguides and N reverse angular power distribution waveguides; the forward angular power distribution waveguide is an oblique rectangular waveguide which is evenly distributed along the outer wall of the circular waveguide in an angular mode, and the reverse angular power distribution waveguide is an oblique rectangular waveguide which is evenly distributed along the outer wall of the circular waveguide in an angular mode. After electromagnetic waves generated by the gyrotron traveling wave tube in the pre-clustering stage enter the angular power division waveguide structure, most of electromagnetic wave energy is directly transmitted to the angular power division waveguide and is further absorbed by the wave absorbing structure; the angular power division waveguide structure increases the dissipation area, improves the average power capacity of the gyrotron traveling wave tube, and effectively shortens the length of the medium loading section.)

一种应用于介质加载回旋行波管中的角向功分波导结构

技术领域

本发明涉及微波、毫米波电真空器件技术领域，具体地说是一种应用于介质加载回旋行波管中的角向功分波导结构。

背景技术

回旋行波管是一种重要的高功率毫米波源。它具有宽带、高功率的特点，在雷达、通信、电子对抗、材料处理、受控热核聚变等离子体加热、环境保护等军民领域有着广泛的应用前景，因而在国际上以及国内受到高度重视。

经过多年的发展，回旋行波管已衍生出多种管型结构，其中介质加载结构回旋行波管是一种非常成功的回旋行波管结构，该回旋行波管包括依次连接的输入波导、介质加载互作用段、以及输出波导。高频互作用系统是回旋行波管的核心部件，其性能影响着回旋行波管的工作带宽、效率、增益以及功率容量等性能指标。在传统介质加载回旋行波管中，由于其输出系统的反射，在高平均功率条件下，会引起过量的高功率电磁波直接反射到介质加载互作用段，造成介质加载互作用段的末端损耗介质因吸收过量的高功率电磁波能量而过热出气，进而影响回旋行波管的稳定工作。此外，在高频互作用系统的介质加载段中，沿高频系统的轴向，电磁能量密度分布随着电子注-波互作用的加深而非线性指数增长，特别是在介质加载段的输出末端附近，其电磁能量密度最高，而高密度电磁能量分布必然引起高密度电磁能量介质吸收。在高平均功率条件下，会引起介质加载互作用段的输出末端损耗介质因吸收过量的高功率电磁波能量而过热出气，进而影响回旋行波管的稳定性，导致高频互作用系统的平均功率容量受限。此外，由于输出系统的反射，也会引起一部分输出的电磁能量直接返回到介质加载段中，并集中在末端陶瓷环处被耗散。在高平均功率条件下，这也会引起末端损耗介质因吸收过量的高功率电磁波能量而过热出气，导致高频互作用系统的平均功率容量的进一步受限。因此，如何提高介质加载回旋行波管高频互作用系统的平均功率容量是传统介质加载回旋行波管的一个技术瓶颈问题。

发明内容

为了解决传统介质加载回旋行波管高平均功率输出的技术瓶颈。本发明提出了一种应用于回旋行波管高频互作用系统中的角向功分波导结构。

本发明采用的技术方案如下：

一种应用于回旋行波管高频互作用系统中的角向功分波导结构，设置于介质加载回旋行波管的介质加载互作用段和输出波导段之间，其特征在于，所述角向功分波导结构包括：圆波导、N个正向角向功分波导、N个逆向角向功分波导，其中N＝8、12或者16。所述正向角向功分波导为沿圆波导外壁角向均匀分布的斜出式矩形波导，所述逆向角向功分波导为沿圆波导外壁角向均匀分布的斜入式矩形波导，其中所述斜出式矩形波导与圆波导间的夹角为θ₁(20°≤θ₁≤40°)，所述斜入式矩形波导与圆波导间的夹角为θ₂，且θ₁+θ₂＝180°。

所述正向角向功分波导与逆向角向功分波导交错分布，每个正向角向功分波导的末端均插入到相邻两个逆向角向功分波导的中间位置。

所述正向角向功分波导与逆向角向功分波导内均设置有由吸波材料制成的紧贴矩形波导宽边的斜劈型吸波结构，以吸收传播到非标矩形波导中的电磁波，同时增加矩形波导的散热面积。

进一步地，所述斜出式矩形波导与斜入式矩形波导为尺寸相同的非标矩形波导。

进一步地，所述吸波材料为陶瓷材料。

设计原理：

角向功分波导结构放置于介质加载回旋行波管的介质加载段和输出光滑段之间，缩短了传统介质加载回旋行波管的介质加载段的长度。回旋行波管在预群聚阶段产生的电磁波在进入角向功分波导结构后，绝大部分电磁波能量直接传播到角向功分波导中，进而被非标矩形波导中的衰减陶瓷片吸收。由于角向功分波导的衰减陶瓷片的耗散面积远大于被取代部分的陶瓷环的面积，进而达到增加耗散面积，提高回旋行波管平均功率容量的目的。

本发明具有以下的主要优点：

1、能够将回旋行波管介质加载互作用段预调制阶段产生的大部分正向电磁能量导入正向角向功分波导中，并被非标矩形波导宽边加载的衰减介质片吸收。该结构有效增加介质加载回旋行波管高频互作用系统的耗散面积，进而有效提高回旋行波管高频互作用系统的功率容量。

2、由于在圆波导的角向加载了多路正向角向功分波导和逆向角向功分波导，使得它的工作模式的色散曲线远离输出光滑波导工作模式的色散曲线，即正向角向功分波导和逆向角向功分波导的工作模式的色散与电子注不同步。电子注在正向角向功分波导和逆向角向功分波导中只作漂移运动，进一步加深群聚，为最终在输出光滑段中形成良好的群聚状态，实现高效换能做准备。同时也大大减小了正向角向功分波导和逆向角向功分波导的电磁功率密度，有利于提高回旋行波管的功率容量。

3、对于由输出系统反射回的反向高功率电磁波，在经过逆向角向功分波导时，绝大部分(占总能量的90％以上)电磁波能量也会直接传播到逆向角向功分波导中，进而被非标矩形波导中的衰减陶瓷片吸收。因此，该角向功分波导结构还能够有效阻止输出电磁波直接反射到回旋行波管的介质加载段中，能够有效实现介质加载段和输出光滑段的隔离。达到进一步减小回旋行波管高频系统耗散功率，提高回旋行波管平均功率容量的作用。

4、在角向功分波导中加载的衰减陶瓷片采取斜劈型结构且紧贴非标矩形波导的宽边，这样可以尽可能地增加衰减陶瓷片和非标矩形波导的接触面积，进而有效提高回旋行波管高频互作用系统的功率容量。

附图说明

图1角向功分波导结构的3维图。

图2角向功分波导结构的正视图和俯视图。

图3角向功分波导结构的侧视图。

图4角向功分波导结构的剖面图。

图5角向功分波导结构的S参数。

附图标记说明：1.圆波导，2.正向角向功分波导，3.逆向角向功分波导，4.在正向角向功分波导中加载的衰减陶瓷片，5.在逆向角向功分波导中加载的衰减陶瓷片。

具体实施方式

下面结合一个设计实例以及附图对本发明作进一步的详细阐述：

该应用于介质加载回旋行波管中的角向功分波导结构技术指标要求：

圆波导工作模式：TE₀₁模；工作频段：U波段(45GHz-52GHz)；

其结构如图1-5所示。包括：圆波导(1)，正向角向功分波导(2)、逆向角向功分波导(3)、在正向角向功分波导中加载的衰减陶瓷片(4)、在逆向角向功分波导中加载的衰减陶瓷片(5)。

其中：

圆波导(主波导)(1)：半径4.04毫米，长度尺寸34毫米；

正向角向功分波导(2)：包括8路在圆波导外壁角向均匀分布的斜出式非标矩形波导。正向角向功分波导长度尺寸a为19.89毫米，宽边尺寸b为5.69毫米，窄边尺寸1.5毫米，其中θ₁＝38°。

逆向角向功分波导(3)：包括8路在圆波导外壁角向均匀分布的斜入式非标矩形波导。逆向角向功分波导长度尺寸a为19.89毫米，宽边尺寸b为5.69毫米，窄边尺寸1.5毫米，其中θ₂＝142°。

在正向角向功分波导和逆向角向功分波导中加载的衰减陶瓷片(4、5)：分别加载在正向角向功分波导非标矩形波导的末端和逆向角向功分波导非标矩形波导的末端，陶瓷片采取斜劈型渐变结构且紧贴非标矩形波导的宽边。渐变长度为16毫米，宽边尺寸5.69毫米，窄边尺寸最大处为1毫米，窄边尺寸最小处为0.2毫米。

图5为仿真所得角向功分波导结构的S参数。S21参数表征圆波导输入端传输到输出端的电磁波的能量大小。由图可知该角向功分波导结构的S21参数绝大部分小于-10dB，只有频率在46GHz附近时S21约为-8dB。这意味着只有频率在46GHz附近时，有约16％的能量从输入端传输到输出端。其他频率下，只有不到10％的能量从输入端传输到输出端，其余能量则被反射或者传输到正向角向功分波导中。

S12参数表征圆波导输出端传输到输入端的电磁波的能量大小。由图可知该角向功分波导结构的S12参数绝大部分小于-10dB，只有频率在46GHz附近时S12约为-8dB。这意味着只有频率在46GHz附近时，有约16％的能量从输出端传输到输入端。其他频率下，只有不到10％的能量从输出端传输到输入端，其余能量则被反射或者传输到逆向角向功分波导中。

S11参数表征圆波导输入端反射的能量大小。由图可知该角向功分波导结构的S11参数绝大部分小于-10dB，只有频率在46GHz附近时S11约为-6.3dB。这意味着只有频率在46GHz附近时，输入端有约23％的能量反射。其他频率下，输入端只有小于10％的能量反射。其余能量则传输到正向角向功分波导或者沿着圆波导继续传播。

S22参数表征圆波导输出端反射的能量大小。由图可知该角向功分波导结构的S22参数绝大部分小于-10dB，只有频率在46GHz附近时S22约为-5.4dB。这意味着只有频率在46GHz附近时，输出端有约28％的能量反射。其他频率下，输出端只有小于10％的能量反射。其余能量则传输到逆向角向功分波导或者沿着圆波导继续传播。

本发明的角向功分波导结构能够将绝大部分的在介质加载段中的预群聚阶段产生的电磁波导入正向角向功分波导的矩形波导中，并由其中的衰减陶瓷片吸收，同时也能够将绝大部分的从输出系统反射回介质加载段的高功率电磁波导入逆向角向功分波导的矩形波导中，并由其中的衰减陶瓷片吸收。该结构有效地扩展了回旋行波管高频系统的耗散面积，并阻止输出系统反射回的电磁波直接进入介质加载段，提高其功率容量。