一种适用于折叠波导行波管的分布式衰减器及分布式衰减方法与流程

1.本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种适用于折叠波导行波管的分布式衰减器及分布式衰减方法。


背景技术：

2.行波管是一种宽频带高增益器件，管内的反射会导致行波管增益波动加剧，性能变差，严重时甚至引起自激振荡，使行波管无法正常工作。管内的反射是无法完全消除的，集中衰减器和能量耦合端口通常是引起反射的主要部位。一般采用增加线路损耗的方法对反射信号进行衰减，以避免行波管自激振荡，改善行波管增益波动。具体到折叠波导行波管，通常采用在折叠波导上涂覆一段fesial衰减涂层的方法衰减反射信号。该方法是将fesial粉末的悬浊液涂覆于折叠波导结构底部，进行高温烧结，形成衰减涂层，如图1a和1b所示。
3.涂覆fesial衰减涂层的方法存在以下显著缺点：(1)这种衰减涂层的厚度一般大于0.06mm，折叠波导行波管工作频率通常在60ghz以上，其特征尺寸很小，0.06mm的厚度变化足以引起可观的反射信号，导致行波管增益波动变差；(2)fesial衰减材料涂覆工艺复杂，且基本依靠人工涂覆的方式，不可控因素多，涂层一致性差，成本高；(3)衰减涂层容易脱落，脱落的碎片有导致行波管失效的风险，降低整管可靠性。
4.以具体结构为例，利用三维电磁仿真软件cst微波工作室分别对无fesial涂层、有fesial涂层的折叠波导慢波系统进行仿真并比较。折叠波导深度a＝2.3mm，槽宽b＝0.3mm，几何周期2p＝1.2mm，上下弧距离c＝1.6mm，涂层厚度d＝0.1mm。在图2中所示的65ghz-72ghz频率范围内，在未涂覆衰减涂层时，慢波线自身反射系数在0.1左右(见图2中“未涂覆衰减涂层”曲线)，涂覆衰减涂层后慢波线反射系数大幅上升(见图2中“涂覆衰减涂层”曲线)，部分频段达到0.6以上，而设计行波管时通常选取该区域作为理想工作频段。较大的反射系数意味着行波管增益波动大、自激振荡风险高。
5.因此，为了克服现有技术存在的缺陷，需要提供一种适用于折叠波导行波管的分布式衰减方法，要求其本身引起的反射小，一致性好，工艺简单。


技术实现要素：

6.本发明的一个目的在于提供一种适用于折叠波导行波管的分布式衰减方法和分布式衰减器，以期能够有效防止行波管产生自激振荡的同时，改善增益波动等性能指标，且工艺简单、一致性好，解决传统涂覆衰减涂层方式存在反射系数大、工艺复杂、一致性差等问题。
7.本发明的另一个目的在于提供一种包括有上述分布式衰减器的折叠波导行波管。
8.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
9.一种适用于折叠波导行波管的分布式衰减器，包括：
10.陶瓷衰减体，其为长方体的衰减陶瓷材料。
11.优选地，所述陶瓷衰减体的横截面形状为矩形。
12.优选地，所述陶瓷衰减体长度不受折叠波导几何周期限制，可根据需要灵活选择，但小于折叠波导长度l；
13.优选地，所述陶瓷衰减体高度不受折叠波导深度a的限制，可以大于a，可以小于a，也可以等于a；
14.优选地，所述衰减陶瓷材料包括但不限于电真空器件常用的氮化铝基、氧化铝基、氧化铍基等。
15.一种适用于折叠波导行波管的分布式衰减方法，采用如上所述的分布式衰减器对折叠波导慢波系统中传播的电磁波进行衰减。
16.优选地，折叠波导弧形连接段的外侧形成有腔体，所述腔体与弧形连接段的弧顶连通，所述陶瓷衰减体嵌在腔体中。在实际的应用过程中，所述陶瓷衰减体各个表面均与腔体实现良好贴合。
17.腔体与折叠波导弧形连接段的弧顶连通，折叠波导内传播的电磁波被部分耦合到长条形陶瓷衰减体中，从而使电磁波受到一定程度衰减，这种衰减分布在各连通点，故称为分布式衰减。
18.折叠波导包括直波导端和上、下交错分布的弧形连接段，根据需要，可以灵活的在折叠波导其中一侧弧形连接段的外侧设置分布式衰减器，也可以同时在折叠波导两侧弧形连接段的外侧皆设置分布式衰减器。需要说明的是，此处折叠波导两侧弧形连接段指的就是上侧弧形连接段和下侧弧形连接段。折叠波导弧形连接段与腔体连通部分的高度at和深度dt决定了折叠波导与分布式衰减器的连通程度，其与分布式衰减器的尺寸参数、衰减材料种类等共同决定了电磁波的衰减量。本领域技术人员可以根据需要，灵活进行合理设置调控。
19.本发明还提供了一种包括分布式衰减器的折叠波导行波管，包括：
20.折叠波导，包括直波导段和弧形连接段形成的多个几何周期性结构；以及如上所述的适用于折叠波导行波管的分布式衰减器。
21.本发明的有益效果如下：
22.本发明提供的适用于折叠波导行波管的分布式衰减方法和分布式衰减器，有效衰减了因慢波结构自身不匹配而引起的反射波，在防止行波管自激振荡的同时，改善了增益波动等性能指标，同时具有工艺简单、一致性好等优点，可以提高行波管性能，并降低成本。
附图说明
23.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
24.图1a和图1b示出现有技术中采用fesial涂层作为衰减材料的折叠波导行波管。
25.图2示出现有技术中采用fesial涂层作为衰减材料的折叠波导系统涂覆衰减涂层)和未采用fesial涂层作为衰减材料的折叠波导系统(未涂覆衰减涂层)的部分频段反射系数。
26.图3示出根据本发明优选实施方式的分布式衰减器沿折叠波导中轴线方向的几何示意图。
27.图4示出根据本发明优选实施方式的分布式衰减器沿折叠波导的结构示意图。
28.图5示出采用本发明实施例中分布式衰减器的折叠波导系统(新型分布式衰减器)和对比例中采用fesial薄层作为衰减材料的折叠波导系统(涂覆衰减涂层)的反射系数结果对比图。
具体实施方式
29.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。
30.下面结合图3和图4对根据本发明优选实施方式的分布式衰减器进行详细阐述。
31.如图所示，本优选的实施方式提供一种分布式衰减器1，适用于折叠波导2慢波结构。该分布式衰减器1是将陶瓷衰减体12嵌入折叠波导2侧面形成的腔体11中。陶瓷衰减体12各个表面与腔体11内壁能够贴合良好。腔体11形成在折叠波导2的弧形连接段外侧，其中，位于上弧形连接段21外侧的是第一腔体111，位于下弧形连接段外侧22的是第二腔体112，第一腔体111和第二腔体112可以同时或独立存在。第一腔体111和第二腔体112同时存在时，尺寸参数可以各自不同，但均应满足，长度lt应小于折叠波导2的总长l，高度at可以大于或小于折叠波导2的深度a，与折叠波导2弧形弯曲段的连通深度dt应小于折叠波导槽宽b。
32.与传统涂覆fesial涂层衰减材料相比，本发明提供的分布式衰减方法能够保持折叠波导慢波结构深度a均匀一致，慢波线路不会因产生突变而引起反射，从而实现降低反射系数的目的。
33.在一个优选的示例中，本发明中腔体是形成在折叠波导特定周期的弧形连接段的外侧的，第一腔体111靠近折叠波导输出端23的端部113与折叠波导输出端23的距离1为s1，第二腔体112靠近折叠波导输出端23的端部114与折叠波导输出端23的距离2为s2，但是对于s1或s2长度本发明没有限定，但应小于折叠波导总长l。
34.在一个优选的示例中，所述距离s1或/和距离s2为4-8个几何周期2p长度，但是对于s1或s2是否是2p的整数倍，本发明没有限定。
35.本发明分布式衰减器中第一腔体111和第二腔体112的形状尺寸可以不同，如图所示，可根据需要灵活选择，腔体沿折叠波导中轴线24方向上的长度lt应小于折叠波导总长度l；在一个优选的示例中，腔体沿折叠波导中轴线24方向上的长度lt是折叠波导周期2p的整数倍。
36.腔体高度at不受折叠波导2深度a的限制，可以大于或小于a。若腔体高度at大于a，随着腔体高度at的增大，分布式衰减器与折叠波导连通程度不再发生改变，衰减器达到最大衰减量；若腔体高度小于a，则衰减量随腔体高度下降而降低；腔体的宽度为bt；腔体与折叠波导2连通深度dt则是由腔体靠近折叠波导中轴线24的内壁与折叠波导中轴线的直线距离决定的，即腔体的内壁距离中轴线越近，腔体与弧形连接段重叠部分的深度dt越大。
37.在实际应用过程中，连通深度dt实际选取取决于槽宽b，dt优选尺寸为0.03b-0.1b之间，若dt不在此范围内，如dt过大是则分布式衰减器本身会引起较强的反射，行波管增益波动变大，dt过小则衰减量下降，行波管反射信号无法得到有效衰减。
38.本领域技术人员可以理解，针对不同频段、不同功率、不同尺寸的折叠波导行波管，以及针对所使用的不同衰减陶瓷材料，分布式衰减器的长度、高度、与折叠波导弧形弯曲段连通程度及分布式衰减器在折叠波导上的位置等都可以根据需要的衰减量的小大优化设计。
39.下面通过实施例对本发明进一步阐述。
40.实施例
41.实施例中提供的适用于折叠波导的分布式衰减器如图3和图4所示，其腔体长度lt是折叠波导几何周期2p长度(2p＝1.2mm)的3倍，lt＝3.6mm；深度at＝2.3mm；宽度bt＝0.2mm；腔体与弯曲波导连接段连通深度dt＝0.08mm；s1＝3.22mm，s2＝2.62mm。分布式衰减器中的衰减陶瓷材料为氮化铝。
42.对比例
43.对比例中提供的涂覆fesial衰减材料的折叠波导行波管结构如图1a和1b所示，具体结构参数为：
44.折叠波导几何周期2p＝1.2mm；深度a＝2.3mm；槽宽b＝0.3mm；上下弧距离c＝1.6mm；衰减材料为fesial；涂覆深度d＝0.1mm。
45.利用三维电磁仿真软件cst微波工作室分别对实施例和对比例中的衰减器进行仿真计算，结果如图5所示，可以看出，对比例的涂覆fesial衰减材料的反射系数偏大(见图5中“涂覆衰减涂层”曲线)，尤其是在65ghz-72ghz频率范围内的反射系数大幅上升至0.6以上，意味着包括有对比例中衰减器的行波管具有较高的自激振荡风险，经计算，行波管增益波动为12.5db。实施例中分布式衰减器的反射系数相对比例来说，有了显著降低(见图5中“新型分布式衰减器”曲线)，在65ghz-72ghz频率范围内均降至0.2以下，降低了行波管振荡风险。经计算，具有实施例中分布式衰减器的行波管增益波动为1.3db，较对比例方案明显改善。
46.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。