全波导带宽标准波导输出大功率螺旋线行波管

摘要

全波导带宽标准波导输出大功率螺旋线行波管，涉及一种全波导带宽用标准波导输出的大功率螺旋线行波管，属于微波电真空器件技术领域。本发明包括管体以及其内的螺旋线、夹持杆、扁波导、微波窗，有一螺旋线－脊波导过渡结构连接扁波导和螺旋线；扁波导通过扁波导－微波窗端接波导过渡段与微波窗连接；微波窗通过过渡波导连接到输出端接波导。本发明的有益效果是，在标准波导带宽内可大幅提高行波管输出功率水平，匹配性能良好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种全波导带宽用标准波导输出的大功率螺旋线行波管，属于微波电真空器件技术领域。

背景技术

大功率微波电真空器件是雷达、电子对抗、通信、制导等现代国防军事装备最重要的器件。其中螺旋线行波管又以其宽频带、高动态范围、效率高、低噪声等优点备受重视，广泛应用于各种发射机末级功率放大器中。

在一些重要应用中，需要S波段宽带连续波大功率微波源。为达到这种技术要求，不仅需要尽可能提高螺旋线行波管单管输出功率，且须对几个单只行波管输出进行功率合成。这时采用具备全波导带宽并用标准波导输出的大功率螺旋线行波管最有利。以S波段BJ32标准波导为例，要求覆盖2.6-3.95GHz频段。

现有技术资料直接波导输出行波管如图1所示。螺旋线慢波线末端被拉直成为深入波导内天线，其末端与一金属圆筒端部点焊在一起。金属圆筒称为扼流筒，它的外壁与金属屏蔽筒内壁形成一个终端开路的λg/4扼流同轴线，其在波导面上呈现为一个短路面。波导末端设有短路活塞用以调节输出匹配。

但这种功率耦合输出装置有以下缺点：①螺旋线末端未直接通过金属与管壳实现导热连接，因而散热不良，输出功率有限；②带宽调节困难，难以做到宽带匹配。同时普通波导对称盒型窗设计其频带内不可避免出现鬼模振荡现象，在大功率应用场合很难获得宽频带输出，其相对带宽一般不超过20％。实际上据查新国内外还没有用这种标准波导输出的S波段螺旋线行波管。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是研制一种S波段螺旋线行波管，其输出可与BJ32标准波导直接连接，带宽覆盖2.6-3.95GHz(标准波导全带宽)，连续波输出功率大于2kW以上，以便用于大功率发射机与功率合成系统中。具体需要解决一系列技术难点如散热问题、宽带匹配、大功率输出和整管制造工艺结构集成。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，全波导带宽标准波导输出大功率螺旋线行波管，包括管体以及其内的螺旋线、夹持杆、扁波导、微波窗，有一螺旋线-脊波导过渡结构连接扁波导和螺旋线；扁波导通过扁波导-微波窗端接波导过渡段与微波窗连接；微波窗通过过渡波导连接到输出端接波导。

所述螺旋线-脊波导过渡结构包括螺旋线-同轴线过渡段，同轴线-带状线过渡段和带状线-脊波导过渡段，从螺旋线-同轴线过渡段到带状线-脊波导过渡段宽度逐级增加，同时，过渡结构所处的波导段的宽度亦为逐级增加。所述扁波导-微波窗端接波导过渡段为阶梯状过渡结构。

所述微波窗包括微波窗端接波导、圆波导段、陶瓷片、金属陶瓷封接段和冷却水套，输出端接波导的中心与陶瓷窗片的中心不在同一高度上。过渡阶梯波导的窄边高度以阶梯状增加，宽边尺寸不变。所述冷却水套为设置于圆波导段外壳中的水槽。

本发明的有益效果是，

①直接标准波导输出提供了一种大功率行波管技术途径，包括螺旋线-标准波导特殊匹配过渡和大功率全波导带宽无鬼模振荡盒型窗技术，在标准波导带宽内可大幅提高行波管输出功率水平。

②采用本发明技术的S波段标准BJ32波导输出螺旋线行波管样管在全波导带宽内(2.6GHz-3.95GHz)匹配性能良好，输出驻波系数小于1.8，在40％相对带宽内(2.5-3.8GHz)输出功率大于2.5kW，在31％相对带宽范围内(2.7-3.7GHz)输出功率大于3.5kW。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为现有技术波导输出螺旋线行波管输出结构纵向剖面示意图。

图2为本发明波导输出螺旋线行波管输出结构侧向剖面示意图(左图)与正向剖面示意图(右图)。

图3为现有技术波导盒型窗结构示意图。

图4为本发明全波导带宽波导盒型窗结构示意图。

具体实施方式

本发明技术要点：

①螺旋线末端局部焊接技术，采用了四根梯形氧化铍陶瓷夹持杆(一般采用三根)夹持螺旋线。在发热最严重的一段夹持杆内侧与螺旋线铜带焊接，外侧与通水冷却的无氧铜外导体管壳焊接，实现了良好的热接触，改善了散热性能。

②设计了一种由异形金属条与变形波导壁组成的过渡结构，该结构保证了在全波导带宽内由螺旋线到标准波导模式变换与阻抗匹配，其驻波系数1.26，并且保证了螺旋线输出端与管壁的直接金属焊接连接，从而保证了良好散热性能，使得微波性能与散热性能同时达到最佳。

③设计了一种大功率全波导带宽无鬼模振荡可与标准波导对接的盒型窗，采用非对称结构设计，陶瓷窗片直径小于标准波导宽边，实现了近40％相对带宽范围内无鬼模振荡匹配输出，而普通波导盒型窗相对带宽则不超过20％。

图1为现有技术波导输出螺旋线行波管输出结构纵向剖面示意图，包括螺旋线1，夹持杆2，短路活塞3，细天线4，扼流筒5，普通波导盒型窗，输出波导7。此种输出结构频带较窄，散热能力差。

图2为本发明波导输出螺旋线行波管输出结构纵向剖面示意图(左图)与横向剖面示意图(右图)，包括螺旋线11，陶瓷夹持杆12，螺旋线至波导匹配直接特殊金属连接段由螺旋线-同轴线过渡13，同轴线-带状线过渡14，带状线-脊波导过渡15，脊波导-扁波导过渡16，扁波导17，扁波导-微波窗端接波导过渡18，大功率全波导带宽微波窗19，微波窗端接波导-标准波导过渡20和输出标准波导21构成。该部分完成微波传播模式由螺旋线慢波向标准波导快波模式传输转换，为左右对称结构设计。如图2的右图。

作为一个实施例，进行参数优化后，螺旋线-同轴线-带状线过渡由一段长度不大于50mm厚度为3mm无氧铜带构成，其中螺旋线-同轴线过渡段13的无氧铜带厚度不小于2mm，螺旋线-同轴线过渡段13对应行波管外导体管壳切口角度范围为40-50°。带状线宽度j为6mm，扁波导17内的脊条宽度n为21mm，脊条高度e为6mm，脊波导高度d为8mm。图2(右图)中螺旋线-同轴线过渡段13对应波导宽度k为10mm，同轴线-带状线过渡14对应波导宽度l为26mm，带状线-脊波导过渡15对应波导宽度m为45mm，以后波导宽度p与输出标准波导21宽度一致，为72.14mm。其总体长度不大于250mm(图中h标记)。

图中具体的尺寸为：(除角度外，其余单位为mm)

a＝34.04 b＝12 c＝6.5 d＝8 e＝6 f＝3 g＝2 h＜250 i＜40j＝6 k＝10 l＝25 m＝46 n＝21 p＝72.14 φ＝60 θ为45～50°

扁波导-微波窗端接波导过渡段18、微波窗端接波导-标准波导之间的过渡波导20由阶梯波导构成。微波窗端接波导尺寸参数由大功率全波导带宽盒型窗设计时决定。通过优化这一特殊匹配过渡段结构参数，使得在保证螺旋线末端散热能力的同时，又具有较低的输出驻波参数。实施例1提供的参数即具有这一特性。图2中脊波导的脊条和波导壁焊接在一起，同时波导壁又与行波管管壳为一体结构，把螺旋线末端头的热量通过这一特殊匹配过渡短金属条直接传导至行波管管壳，保证了螺旋线末端具有良好的散热能力；结合特殊匹配段的优良微波功率传输特性共同为整管大功率微波输出提供了保证。

图3为现有波导盒型窗技术的示意图。图中31为标准矩形波导段，32为介质片，33为圆波导段，34为介质金属封接段，为对称结构设计。一般而言，介质片直径大于矩形波导截面对角线长度。

图4为本发明大功率全波导带宽盒型窗的示意图。包括微波窗端接波导41、圆波导段42、陶瓷片43、金属陶瓷封接段44、冷却水套45、过渡波导20和标准输出端接波导21。本发明选择减小端接波导窄边高度，而保持波导宽边尺寸不变，端接波导与输出标准波导高度比为0.8左右。同时优化盒型窗其它结构参数，抑制带宽内鬼模振荡模式。过渡阶梯波导完成端接波导至标准波导阻抗匹配功能。此时输出端接波导21中心与陶瓷窗片43中心不在同一高度上，即为不对称结构设计。

优化设计后，这种盒型窗在标准波导带宽内具有优良的驻波特性，具有以下特点：陶瓷窗片直径较小，小于波导宽边尺寸；窗片厚度与直径比仍可保持较高，约0.03，同时保证了真空密封工艺和机械强度要求，且较小的陶瓷窗片体积也减小了微波窗介质损耗；金属陶瓷封接处采用硬焊料封接，如银铜焊料；金属陶瓷封接处外部接有循环冷却水套，完成陶瓷窗片的冷却散热。