[发明专利]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

说明书

该发明公开了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，本发明属于微波、毫米波器件技术领域。该发明包括功率分配部分、模式转换部分、截止段部分。采用Y型功分器级联，实现四路功率分配，并且通过在四路功分器上加载两种类型的扭波导实现对输出电磁场极化方向的调控。所采用的四路对称馈源的方式，达到了抑制杂模，降低反射系数、提高转换效率，增加带宽的有益效果。

技术领域

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

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。

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 GyrotronTraveling-Wave Amplifier”，作者：J.RSirigiri等人，2003年)。

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。

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。

发明内容

为了解决双共焦波导回旋行波管TE_0n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_0n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TE₁₀模到双共焦波导的高阶模TE_0n(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。

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。

所述功率分配部分，将输入端标准矩形波导TE₁₀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。

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_0n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。