一种基于功分网络结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器

1.本发明属于微波、毫米波和太赫兹器件技术领域，具体地说是一种基于波导功分网络结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器，可以应用在毫米波及太赫兹波段的回旋行波管。


背景技术：

2.回旋行波管(gyro-twt)放大器作为一种基于电子回旋脉塞机理的微波电真空器件，由于其在毫米波乃至太赫兹频段所表现出的宽频带、大功率、高效率等特性，使其在现代高性能雷达、远距离通信技术、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。
3.传统的回旋行波管一般采用圆波导作为高频互作用结构，为了防止寄生振荡对工作状态的破坏，常使其工作在低阶模式。但当回旋行波管向更高频段发展时，高频结构尺寸的急剧减小带来电子注通道受阻以及回旋行波管的功率容量受限的严重问题。为此美国麻省理工学院(mit)提出了采用单共焦波导这一准光结构作为回旋行波管的互作用结构。这种准光结构具有较为稀疏的模式密度并且由于两侧的开放边界使其具有分布损耗的特点，这种损耗对不同模式是不同的，选用损耗小的模式作为工作模式而其余竞争模式则具有很大的损耗。因此共焦波导回旋行波管可以稳定工作在高阶模式，解决了由于尺寸共度效应而无法扩展至高频段的困难(详见“high-power 140-ghz quasioptical gyrotron traveling-wave amplifier”，作者：j.rsirigiri等人，2003年)。
4.然而由于单共焦波导的横向场分布不均匀，导致电子注和高频场互作用效率较低。为了解决这个问题，国内外学者提出了采用双共焦波导作为互作用结构的方案。相比于单共焦波导，双共焦波导的横向场分布更加均匀，且同样具有准光结构低模式密度的特点，因此具有巨大的发展潜力。
5.输入耦合器是回旋行波管的一个关键部件，它位于电子枪和高频结构之间，用于将基模信号转换为参与注-波互作用的高阶模式。


技术实现要素：

6.为了解决双共焦波导回旋行波管te
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模输入耦合器杂模抑制困难，转换效率低，带宽窄的问题。本发明提出了一种基于功分网络结构的双共焦波导回旋行波管te
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模输入耦合器，这一输入耦合器可以实现从矩形波导的基模te
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模到双共焦波导的高阶模te
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(n》＝2)模的转换。性能优异的输入耦合器可以减轻回旋行波管对前级驱动源的要求，并且对整管性能的提升有着重大的帮助。所提出的输入耦合器不仅是回旋行波管的关键部件，而且可以用于双共焦波导的系列冷测实验。
7.本发明采用的技术方案如下：双共焦波导回旋行波管输入耦合器主要由功率分配部分、模式变换部分和截止段部分组成。
8.所述功率分配部分，将输入端标准矩形波导te
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模基模信号等分为4路信号。具体地，功率分配网络包括矩形波导、三个y型h面功分器、两个i型扭波导、两个ii型扭波导。输
入功率首先通过一个y型功率分配器被分成两列幅度相等的信号。然后每列信号再通过另一个y型功率分配器进一步划分。因此，级联的y型功率分配器可以将输入的功率一分为四。
9.进一步地，为了实现功率分配网络末端四个端口的输出场和双共焦波导内工作模式te
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模的场相匹配，在功分网络四个端口的分支上加载了两种类型的扭波导进行极化调控。这两种类型的扭波导具有相同的长度，其中一个被顺时针扭曲180度，另一个被顺时针扭曲90度，然后再逆时针扭曲90度，回到初始状态。相临分支加载不同类型的扭波导，相对分支加载相同类型的扭波导。经过扭波导对极化方向的调控，使得电场矢量的方向在四个端口末段形成特定规律排布，从而顺利激励起te
0n
模。
10.所述模式变换部分，由封闭式双共焦波导构成，即当双共焦波导的镜宽拓宽至形成的封闭波导结构。上述的功率分配网络输出的四路信号分别通过四个耦合孔注入到封闭式双共焦波导内，最终在封闭式双共焦波导内激励起te
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模。
11.所述截止段部分与模式变换部分相连接，是一个由模式变换段大口径波导变换为小口径波导的渐变结构，其作用是减少te
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模反向传输造成的能量损失以及对电子枪造成的影响。
12.本发明具有如下优点：1)转换效率高，高于90％；2)工作带宽较宽，约9％；3)结构紧凑，易于集成。
附图说明
13.附图1是本发明基于功分网络结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器3-d示意图。
14.附图2是本发明基于功分网络结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器的正视图。
15.附图3是本发明基于功分网络结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器的侧视图。
16.附图4是本发明基于功分网络结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器s参数关系图。
具体实施方式
17.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，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护的限制，该领域的技术熟悉人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
18.本实施例工作波段：138-150ghz.
19.图1为基于功分网络结构的双共焦回旋行波管输入耦合器3维结构示意图；图2为输入耦合器的正视图；图2为输入耦合器的侧视图；图4为测试图。该实施例包括：功率分配部分：标准矩形波导1，y型功分2、3、4，类型i的扭波导5、6，类型ii的扭波导7、8。模式变换部分：带有四个耦合孔的封闭式双共焦波导9。截止段部分：过渡波导10、截止波导11.
20.1、功率分配部分
21.标准矩形波导1为标准矩形波导wr7：宽边尺寸1.651mm，窄边尺寸0.8255mm.
22.y型功分器2、3、4：输入端口尺寸：宽边尺寸1.651mm，窄边尺寸0.8255mm：在分支处
宽边尺寸保持不变，窄边尺寸由最窄处0.44mm渐变为0.8255mm，两臂长度为17.9mm。
23.在y型功分器3、4的四路分支上，加载两种类型的扭波导，其中i型扭波导长3.9mm，ii型扭波导长也为3.9mm。
24.2、模式变换部分
25.模式变换部分的封闭式双共焦波导9由四面曲率半径为6.82mm镜宽为5.6mm的镜面组成，每面反射镜的圆心位于相对镜面的中心处。
26.模式变换段上开有四个宽边长为1.651mm，窄边长为0.8255mm的矩形孔，用以接收来自功分网络的四路信号。
27.3、截止段部分
28.过渡波导10连接模式变换段9与截止段11，是一段口径渐变的波导。
29.截止波导11的曲率半径为3.8mm，镜宽3.1mm。
30.图4为本实施例基于功分网络结构的双共焦波导回旋行波管输入耦合器的s-参数随频率变化的关系图。由图可知，该输入耦合器的te
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传输系数的-3db以上带宽覆盖范围从137ghz到149ghz，具有较宽的带宽。由图可知，输入端te
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模到其他寄生模式(pma pmb pmc pmd)的传输系数均比较低，从而实现了te
10-te
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的高效率模式转换。