本發(fā)明屬于真空元件中的微波輸入裝置領(lǐng)域，具體涉及一種x波段大功率回旋波整流器的微波耦合輸入裝置。

背景技術(shù)：

由于微波的波長比較短，故其定向性好，因此，廣泛利用微波來實現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸。微波無線輸電主要由微波源、發(fā)射與接收天線以及微波整流器等組成。其中回旋波整流器是一種以自由電子為工作媒介的特殊電真空器件，它是實現(xiàn)大功率微波無線輸電的重要器件，主要的作用是將接收到的高功率微波能量轉(zhuǎn)換成直流電能。

回旋波整流器主要包括由高頻諧振腔、能量轉(zhuǎn)換區(qū)以及收集級三部分。其中微波諧振腔在實際應(yīng)用時總要和微波系統(tǒng)相連而不可能是孤立的，諧振腔必須通過傳輸系統(tǒng)來向它傳輸微波能量，否則在諧振腔中就不可能維持穩(wěn)定的振蕩。換句話說，諧振腔與傳輸系統(tǒng)之間必須要有耦合，實現(xiàn)這種耦合的結(jié)構(gòu)稱為耦合裝置或激勵裝置。

為了提高回旋波整流器的功率容量以及能量轉(zhuǎn)換的效率，必須設(shè)計合適的微波耦合輸入裝置，輸入裝置既要滿足擁有足夠大的功率容量，同時也要和回旋波整流器的高頻諧振腔有很好的匹配。常見的耦合方式有：直接耦合、探針耦合、耦合環(huán)耦合和孔縫耦合，具體選用哪種設(shè)計要參考對應(yīng)的諧振腔的場分布特點。

在電子科技大學(xué)趙曉云博士的博士論文《基于回旋諧振機(jī)制的特殊電真空期間的研究》中所公開的2.85ghz回旋波整流器，包括諧振腔腔體、同軸線結(jié)構(gòu)輸入裝置以及導(dǎo)向磁場區(qū)系統(tǒng)。其中該輸入裝置是將同軸線內(nèi)導(dǎo)體從圓柱諧振腔圓周面引入到與軸線平行的極板上，從而實現(xiàn)輸入裝置與諧振腔的完美匹配，但是由于其采用的同軸結(jié)構(gòu)會造成功率容量的限制，因此不適合受尺寸度越效應(yīng)影響的x波段回旋波整流器使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對x波段大功率回旋波整流器高頻諧振腔的特點，研究設(shè)計一種大功率的微波耦合輸入器件，微波能量能夠穩(wěn)定高效的通過該輸入器件進(jìn)入諧振腔中，從而在諧振腔中激勵起很強(qiáng)的高頻電場，使得電子注能夠與微波能量完成充分的駐波互作用，大大提高腔體的能量轉(zhuǎn)換效率。

一種x波段大功率回旋波整流器耦合輸入裝置，包括圓柱形諧振腔外殼、平行設(shè)置于外殼內(nèi)的兩塊極板、矩形波導(dǎo)以及耦合結(jié)構(gòu)；所述諧振腔外殼兩底面設(shè)置有電子注輸入輸出通孔；所述極板的一端通過極板延伸段與設(shè)置于外殼外側(cè)的矩形波導(dǎo)連通，且極板延伸段與外殼相交的位置處設(shè)置有第一耦合結(jié)構(gòu)，矩形波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置有第二耦合結(jié)構(gòu)，兩耦合結(jié)構(gòu)通過金屬連接桿平滑過渡連接。

所述兩極板分別通過支撐脊支撐并固定。

所述第一耦合結(jié)構(gòu)、第二耦合結(jié)構(gòu)為對稱設(shè)置的彎曲橢圓柱結(jié)構(gòu)，所述金屬連接桿的橫截面與兩耦合結(jié)構(gòu)的橫截面為尺寸相同的橢圓形。

所述矩形波導(dǎo)與兩極板之間軸線重合。

所述矩形波導(dǎo)的短邊大于兩極板之間的間距。

所述矩形波導(dǎo)為x波段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)bj100。

本發(fā)明采用雙環(huán)型磁耦合的傳輸方式，即采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)作為微波傳輸?shù)妮d體，根據(jù)諧振腔中電場與磁場分布的特點，選擇在腔體壁附近磁場分布集中點處開口放置該輸入波導(dǎo)；并分析諧振腔與輸入波導(dǎo)連接點處的磁場分布大小，選擇在連接點附近磁場分布集中點處放置第一耦合結(jié)構(gòu)，并調(diào)節(jié)耦合結(jié)構(gòu)的尺寸大小以及旋轉(zhuǎn)半徑來優(yōu)化耦合結(jié)構(gòu)與諧振腔的匹配；與第一耦合結(jié)構(gòu)相連的金屬連接桿和矩形波導(dǎo)構(gòu)成了同軸結(jié)構(gòu)；考慮到輸入裝置的功率容量以及結(jié)構(gòu)的加工和實際使用情況，在連接桿另一端磁場集中點采用和第一耦合結(jié)構(gòu)相同且對稱設(shè)置的第二耦合結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)矩形波導(dǎo)到同軸結(jié)構(gòu)的過渡。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，材料可為普通黃銅，為了方便加工，耦合裝置可被剖分成兩個對稱部分進(jìn)行加工，然后通過銷釘定位和螺絲固定的方式來盡可能的減少安裝誤差。工作時高功率微波可經(jīng)該耦合輸入裝置傳入諧振腔中，具體的，te10模式的微波通過標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)口傳入，在第一個耦合環(huán)結(jié)構(gòu)處，將te10模式轉(zhuǎn)化為tem模的能量，實現(xiàn)波導(dǎo)到同軸這部分的無縫過度；在經(jīng)過一段同軸的傳輸后，到達(dá)第二個耦合環(huán)結(jié)構(gòu)處，tem的波通過磁耦合的方式將能量高效的傳入諧振腔中，在諧振腔中激勵出需要的高頻電場。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)作為能量傳輸?shù)妮d體，保證了系統(tǒng)擁有足夠高的功率容量。

(2)本發(fā)明設(shè)計耦合環(huán)作為耦合的結(jié)構(gòu)，避免了用探針耦合可能激勵出的高電位，防止電場強(qiáng)度過大造成擊穿。

(3)本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單緊湊，易于加工，同時雙向緊固的耦合環(huán)結(jié)構(gòu)解決了在連續(xù)波工作時耦合裝置的散熱問題。

附圖說明

圖1為趙曉云博士所公示的2.85ghz回旋波整流高頻諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為趙曉云博士所公示的2.85ghz回旋波整流器高頻諧振腔的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)(剖面圖)；

圖3為本發(fā)明及配套的回旋波整流器高頻諧振腔的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明及配套的回旋波整流器高頻諧振腔的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)(剖面圖)；

圖5為本發(fā)明的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)示意圖1(剖面圖)；

圖6為本發(fā)明的內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)示意圖2(剖面圖)；

圖7為耦合環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖1(剖面圖)；

圖8為具體實施方式矩形波導(dǎo)輸入端口的反射參數(shù)s11參數(shù)坐標(biāo)曲線；

圖9為輸入功率10kw時高頻諧振腔的電子注輸出功率曲線；

圖中：1.諧振腔外殼、2.矩形波導(dǎo)、3.極板支撐脊、4.極板、5.極板延伸段、6.第一耦合結(jié)構(gòu)、7.第二耦合結(jié)構(gòu)、8.金屬連接桿、9.電子注輸入口。

具體實施方式

下面就以輸入中心頻率為9.2ghz,功率為10kw的微波能量的耦合輸入裝置配套回旋波整流器高頻諧振腔為例說明，附圖3為該能量耦合輸入裝置配套回旋波整流器高頻諧振腔的結(jié)構(gòu)圖，整個輸入裝置均采用黃銅制作，其中：

圓柱形諧振腔外殼1為一圓波導(dǎo)，該圓波導(dǎo)的內(nèi)半徑d為27.3mm，長度為46mm；兩底面分別設(shè)置有半徑為2mm和4.5mm的輸入輸出通孔；其內(nèi)部設(shè)置有極板支撐脊3和極板4。極板厚度b為2mm，長度為26mm；極板支撐脊的寬度c為30mm，長度為8mm；其中上下兩塊極板之間的間距a為9mm；耦合輸入裝置即為如圖所示的矩形波導(dǎo)2，及其內(nèi)部的第一耦合結(jié)構(gòu)6、第二耦合結(jié)構(gòu)7及金屬連接桿8組成的雙環(huán)形結(jié)構(gòu)，其中矩形波導(dǎo)2為bj100標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，該波導(dǎo)短邊長度x為10.16mm，波導(dǎo)長邊長度為22.86mm。該波導(dǎo)與兩極板之間軸線重合，延長腔體內(nèi)極板與波導(dǎo)相連，該極板延伸段5形成一個夾壁結(jié)構(gòu)，可大大增強(qiáng)中間的磁場分布，方便后面磁耦合的進(jìn)行。

上述雙環(huán)形結(jié)構(gòu)整體為一彎曲橢圓柱結(jié)構(gòu)，其橢圓截面的長邊半徑為2mm，短邊半r2為1.5mm，中間直金屬連接桿8長度g為15mm，金屬桿兩端同時彎曲，使之分別與諧振腔內(nèi)的極板延伸段以及矩形波導(dǎo)壁緊固。彎曲的端面位置均為磁場分布集中點，第一個端面彎曲的位置位于沿輸入波導(dǎo)方向離腔體中心點e為28.8mm處，在此處彎曲形成第一個耦合結(jié)構(gòu)6；第二個端面彎曲的位置位于沿波導(dǎo)方向離腔體中心點f為43.8mm處，在此處形成第二個耦合結(jié)構(gòu)7。兩個耦合結(jié)構(gòu)為四分之一圓弧橢圓柱與直橢圓柱組合構(gòu)成，其中圓弧段外半徑r1為3.5mm，直橢圓段長度h為1.42mm。

下面給出了本實施例的仿真結(jié)果：

通過仿真計算，在輸入0.5w的微波功率時，本設(shè)計結(jié)構(gòu)中的最大擊穿場強(qiáng)為2.6v/m，24360v/m，根據(jù)功率和場強(qiáng)的平方關(guān)系，可以計算出當(dāng)輸入功率為10kw時，腔體內(nèi)的最大場強(qiáng)值為34kv/cm，小于真空中的最大擊穿場強(qiáng)200kv/cm，因此本設(shè)計的最大功率可達(dá)幾十kw級。

圖8為耦合輸入裝置輸入端口的反射參數(shù)s11參數(shù)曲線，由于回旋波整流器高頻諧振腔是單頻點工作的器件，在工作頻率為9.2ghz處，反射系數(shù)約為-20db，反射波幾乎不會影響高頻諧振腔的注波互作用。

圖9為回旋波整流器熱腔仿真時的電子注輸出功率曲線，此時的微波輸入功率為10kw，電子注的初始功率為3kw，經(jīng)過計算，本設(shè)計的諧振腔的效率達(dá)到了97.3％，符合設(shè)計要求。