X波段大功率回旋波整流器耦合输入装置

摘要

本发明公开了一种X波段大功率回旋波整流器耦合输入装置，属于真空元件中的微波输入装置领域。包括圆柱形谐振腔外壳、平行设置于外壳内的两块极板、矩形波导以及耦合结构；谐振腔外壳两底面设置有电子注输入输出通孔；极板的一端通过极板延伸段与设置于外壳外侧的矩形波导连通，且极板延伸段与外壳相交的位置处设置有第一耦合结构，矩形波导内设置有第二耦合结构，两耦合结构通过金属连接杆平滑过渡连接。本发明构简单紧凑，易于加工；采用耦合环作为耦合的结构，避免了用探针耦合可能激励出的高电位，防止电场强度过大造成击穿；同时双向紧固的耦合环结构解决了在连续波工作时耦合装置的散热问题。

说明书

技术领域

本发明属于真空元件中的微波输入装置领域，具体涉及一种x波段大功率回旋波整流器的微波耦合输入装置。

背景技术

由于微波的波长比较短，故其定向性好，因此，广泛利用微波来实现电能的远程传输。微波无线输电主要由微波源、发射与接收天线以及微波整流器等组成。其中回旋波整流器是一种以自由电子为工作媒介的特殊电真空器件，它是实现大功率微波无线输电的重要器件，主要的作用是将接收到的高功率微波能量转换成直流电能。

回旋波整流器主要包括由高频谐振腔、能量转换区以及收集级三部分。其中微波谐振腔在实际应用时总要和微波系统相连而不可能是孤立的，谐振腔必须通过传输系统来向它传输微波能量，否则在谐振腔中就不可能维持稳定的振荡。换句话说，谐振腔与传输系统之间必须要有耦合，实现这种耦合的结构称为耦合装置或激励装置。

为了提高回旋波整流器的功率容量以及能量转换的效率，必须设计合适的微波耦合输入装置，输入装置既要满足拥有足够大的功率容量，同时也要和回旋波整流器的高频谐振腔有很好的匹配。常见的耦合方式有：直接耦合、探针耦合、耦合环耦合和孔缝耦合，具体选用哪种设计要参考对应的谐振腔的场分布特点。

在电子科技大学赵晓云博士的博士论文《基于回旋谐振机制的特殊电真空期间的研究》中所公开的2.85GHz回旋波整流器，包括谐振腔腔体、同轴线结构输入装置以及导向磁场区系统。其中该输入装置是将同轴线内导体从圆柱谐振腔圆周面引入到与轴线平行的极板上，从而实现输入装置与谐振腔的完美匹配，但是由于其采用的同轴结构会造成功率容量的限制，因此不适合受尺寸度越效应影响的X波段回旋波整流器使用。

发明内容

本发明的目的是针对X波段大功率回旋波整流器高频谐振腔的特点，研究设计一种大功率的微波耦合输入器件，微波能量能够稳定高效的通过该输入器件进入谐振腔中，从而在谐振腔中激励起很强的高频电场，使得电子注能够与微波能量完成充分的驻波互作用，大大提高腔体的能量转换效率。

一种X波段大功率回旋波整流器耦合输入装置，包括圆柱形谐振腔外壳、平行设置于外壳内的两块极板、矩形波导以及耦合结构；所述谐振腔外壳两底面设置有电子注输入输出通孔；所述极板的一端通过极板延伸段与设置于外壳外侧的矩形波导连通，且极板延伸段与外壳相交的位置处设置有第一耦合结构，矩形波导内设置有第二耦合结构，两耦合结构通过金属连接杆平滑过渡连接。

所述两极板分别通过支撑脊支撑并固定。

所述第一耦合结构、第二耦合结构为对称设置的弯曲椭圆柱结构，所述金属连接杆的横截面与两耦合结构的横截面为尺寸相同的椭圆形。

所述矩形波导与两极板之间轴线重合。

所述矩形波导的短边大于两极板之间的间距。

所述矩形波导为X波段标准矩形波导BJ100。

本发明采用双环型磁耦合的传输方式，即采用标准矩形波导作为微波传输的载体，根据谐振腔中电场与磁场分布的特点，选择在腔体壁附近磁场分布集中点处开口放置该输入波导；并分析谐振腔与输入波导连接点处的磁场分布大小，选择在连接点附近磁场分布集中点处放置第一耦合结构，并调节耦合结构的尺寸大小以及旋转半径来优化耦合结构与谐振腔的匹配；与第一耦合结构相连的金属连接杆和矩形波导构成了同轴结构；考虑到输入装置的功率容量以及结构的加工和实际使用情况，在连接杆另一端磁场集中点采用和第一耦合结构相同且对称设置的第二耦合结构，即可实现矩形波导到同轴结构的过渡。

本发明结构简单紧凑，材料可为普通黄铜，为了方便加工，耦合装置可被剖分成两个对称部分进行加工，然后通过销钉定位和螺丝固定的方式来尽可能的减少安装误差。工作时高功率微波可经该耦合输入装置传入谐振腔中，具体的，TE10模式的微波通过标准矩形波导口传入，在第一个耦合环结构处，将TE10模式转化为TEM模的能量，实现波导到同轴这部分的无缝过度；在经过一段同轴的传输后，到达第二个耦合环结构处，TEM的波通过磁耦合的方式将能量高效的传入谐振腔中，在谐振腔中激励出需要的高频电场。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明采用标准矩形波导作为能量传输的载体，保证了系统拥有足够高的功率容量。

(2)本发明设计耦合环作为耦合的结构，避免了用探针耦合可能激励出的高电位，防止电场强度过大造成击穿。

(3)本设计结构简单紧凑，易于加工，同时双向紧固的耦合环结构解决了在连续波工作时耦合装置的散热问题。

附图说明

图1为赵晓云博士所公示的2.85GHz回旋波整流高频谐振腔的结构示意图；

图2为赵晓云博士所公示的2.85GHz回旋波整流器高频谐振腔的内部腔体结构(剖面图)；

图3为本发明及配套的回旋波整流器高频谐振腔的结构图；

图4为本发明及配套的回旋波整流器高频谐振腔的内部腔体结构(剖面图)；

图5为本发明的内部腔体结构示意图1(剖面图)；

图6为本发明的内部腔体结构示意图2(剖面图)；

图7为耦合环结构示意图1(剖面图)；

图8为具体实施方式矩形波导输入端口的反射参数S11参数坐标曲线；

图9为输入功率10kW时高频谐振腔的电子注输出功率曲线；

图中：1.谐振腔外壳、2.矩形波导、3.极板支撑脊、4.极板、5.极板延伸段、6.第一耦合结构、7.第二耦合结构、8.金属连接杆、9.电子注输入口。

具体实施方式

下面就以输入中心频率为9.2GHz,功率为10kW的微波能量的耦合输入装置配套回旋波整流器高频谐振腔为例说明，附图3为该能量耦合输入装置配套回旋波整流器高频谐振腔的结构图，整个输入装置均采用黄铜制作，其中：

圆柱形谐振腔外壳1为一圆波导，该圆波导的内半径d为27.3mm，长度为46mm；两底面分别设置有半径为2mm和4.5mm的输入输出通孔；其内部设置有极板支撑脊3和极板4。极板厚度b为2mm，长度为26mm；极板支撑脊的宽度c为30mm，长度为8mm；其中上下两块极板之间的间距a为9mm；耦合输入装置即为如图所示的矩形波导2，及其内部的第一耦合结构6、第二耦合结构7及金属连接杆8组成的双环形结构，其中矩形波导2为BJ100标准矩形波导，该波导短边长度x为10.16mm，波导长边长度为22.86mm。该波导与两极板之间轴线重合，延长腔体内极板与波导相连，该极板延伸段5形成一个夹壁结构，可大大增强中间的磁场分布，方便后面磁耦合的进行。

上述双环形结构整体为一弯曲椭圆柱结构，其椭圆截面的长边半径为2mm，短边半r2为1.5mm，中间直金属连接杆8长度g为15mm，金属杆两端同时弯曲，使之分别与谐振腔内的极板延伸段以及矩形波导壁紧固。弯曲的端面位置均为磁场分布集中点，第一个端面弯曲的位置位于沿输入波导方向离腔体中心点e为28.8mm处，在此处弯曲形成第一个耦合结构6；第二个端面弯曲的位置位于沿波导方向离腔体中心点f为43.8mm处，在此处形成第二个耦合结构7。两个耦合结构为四分之一圆弧椭圆柱与直椭圆柱组合构成，其中圆弧段外半径r1为3.5mm，直椭圆段长度h为1.42mm。

下面给出了本实施例的仿真结果：

通过仿真计算，在输入0.5W的微波功率时，本设计结构中的最大击穿场强为2.6V/m，24360V/m，根据功率和场强的平方关系，可以计算出当输入功率为10kW时，腔体内的最大场强值为34kV/cm，小于真空中的最大击穿场强200kV/cm，因此本设计的最大功率可达几十kW级。

图8为耦合输入装置输入端口的反射参数S11参数曲线，由于回旋波整流器高频谐振腔是单频点工作的器件，在工作频率为9.2GHz处，反射系数约为-20dB，反射波几乎不会影响高频谐振腔的注波互作用。

图9为回旋波整流器热腔仿真时的电子注输出功率曲线，此时的微波输入功率为10kW，电子注的初始功率为3kW，经过计算，本设计的谐振腔的效率达到了97.3％，符合设计要求。