一种交叉指结构的正交场放大器

1.本发明属于真空电子器件技术领域，具体涉及一种交叉指结构的正交场放大器。


背景技术：

2.随着电子技术的发展，半导体器件在低功率、低频率、低电压较电真空器件有优势，但在高功率的电真空器件应用中，磁控管仍占有绝对优势。正交放大器cfa是工作在微波频率范围内的一种高频信号带宽放大器，它能够提供相当大的输出功率，而且效率很高。正交放大器的电子带宽标称值为10.0％～15.0％，平均功率数十千瓦。
3.因此将正交场放大器拓展到毫米波领域也是一个重要方向。国内研制的正交场放大器主要是应用在雷达系统，一般作为末级放大管，具有高效率、相位灵敏度高、工作电压低等显著优点。在c、s波段功率量级可达到兆瓦。目前国内开始重视对毫米波正交场放大器的研究，因为毫米波能够提高雷达的分辨度，并且可以利用毫米波天线的高增益特性提高性能。
4.正交场放大器作为一种真空微波管，功能的实现主要是靠电子和电磁波相互作用。整体结构可以分为阴极部件、慢波结构和输能结构，慢波结构的色散特性和耦合阻抗对整管性能具有很大的影响。目前的正交场放大器一般采用螺旋耦合翼片结构和交叉指带状线慢波结构，如图12，13所示。螺旋耦合叶片的基波是前向波，广泛应用在正交场放大器的慢波结构，尤其是适用在不能水冷的场合下。而交叉指线是基波为返波的慢波线，具有适中的散热能力和机械强度。
5.在各种正交场放大器中，一般通过提高耦合阻抗来提高增益。为了提高增益或者是保证散热，采用的阳极慢波结构都较为复杂。如螺旋耦合翼片结构，通过叶片实现了较好的散热，但是耦合阻抗较低。而交叉指结构具有广泛的可能性和机械结构的简单性，兼顾了高效率和稳定输出，有良好的耦合阻抗和散热能力，只是工作频率较低。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种交叉指结构的正交场放大器。该正交场放大器在异腔结构的基础上，结合交叉指慢波结构，一方面通过交叉指慢波结构保留了良好的增益，另一方面通过异腔提高了工作频率到毫米波段。
7.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
8.一种交叉指结构的正交场放大器，包括：阳极部件、阴极部件、输入部件和输出部件；
9.所述阳极部件包括：阳极外壳、上下阳极盖、叶片；
10.所述阴极部件包括：热阴极发射体、端帽；
11.所述输入部件包括：输入抗转换器、输入矩形波导；
12.所述输出部件包括：输出阻抗转换器、输出矩形波导；
13.所述阳极外壳为圆筒形壳体；所述上下阳极盖分别设置于阳极外壳上部和下部；
所述阳极外壳、上下阳极盖共同围成圆柱形腔体；所述上下阳极盖中部均同轴设置有圆形孔；
14.所述热阴极发射体为圆柱形结构，竖直设置在所述圆柱形腔体的中轴线上；所述热阴极发射体的上端与端帽固定连接；
15.所述阳极外壳上设置有两条与阳极外壳的中轴线平行的矩形耦合缝隙；
16.所述输入部件、输出部件与阳极外壳固定连接，且通过矩形耦合缝隙将能量径向耦合输入和输出；
17.所述输入阻抗转换器设置于输入矩形波导内部，用于实现阳极慢波结构到矩形波导的阻抗变换，减小输入信号的反射；
18.所述输出阻抗转换器设置于输出矩形波导内部，用于实现阳极慢波结构到输出矩形波导的阻抗变换，使输出信号更易耦合出去；
19.其特征在于，所述叶片包括沿环向等间距地竖直布置在所述圆柱形腔体中的若干片交叉指叶片；相邻交叉指叶片之间的空腔为第一扇形谐振腔；
20.所述交叉指叶片为中心对称结构；
21.所述交叉指叶片的形状为扇形叶片中部挖空一个与其等高的第二扇形谐振腔，第二扇形谐振腔与左右两侧的第一扇形谐振腔分别通过第三扇形谐振腔、第四扇形谐振腔连通；所述第三扇形谐振腔的顶部为上阳极盖，第四扇形谐振腔的底部为下阳极盖；
22.进一步地，所述交叉指叶片的数量为11片；
23.进一步地，所述输入阻抗转换器包括第一阻抗转换器和第二阻抗转换器，所述第一阻抗转换器为斜面阻抗转换器，所述第二阻抗转换器为哑铃型阻抗转换器。通过哑铃型阻抗变换器结合斜面阻抗变换器，这种光滑的渐变过渡结构可以减少信号的反射损耗。
24.进一步地，两条所述矩形耦合缝隙之间间隔有两个交叉指叶片和一个第一扇形谐振腔。
25.进一步地，两条所述矩形耦合缝隙之间的叶片及空腔填充为一个整体的扇形块结构，作为漂移区。
26.进一步地，所述输出阻抗转换器为工字形阻抗转换器。
27.本发明的有益效果为：本发明的一种交叉指结构正交场放大器，实现了米波段的信号放大。通过第三扇形谐振腔、第四扇形谐振腔，实现了异腔慢波结构和交叉指结构的结合，使调制电子流更加易于与高频电磁波发生注波互作用及进行能量交换，实现对输入的高频信号进行放大的目的；同时通过上下卡合结构降低了传统异腔结构的加工难度。
附图说明
28.图1一个交叉指叶片结构示意图；
29.图2交叉指单侧叶片示意图；
30.图3交叉指叶片组合示意图；
31.图4两个连续交叉指叶片结构示意图；
32.图5图3中b平面截面示意图；
33.图6图3中a平面截面示意图；
34.图7图3中c平面截面示意图；
35.图8慢波结构单侧三维图(左)与上下结构卡合图(右)；
36.图9哑铃型阻抗转换器结构图；
37.图10正交场放大器横向剖面图；
38.图11正交场放大器纵向向剖面图；
39.图12螺旋耦合翼片结构图；
40.图13交叉指结构图。
41.其中：1、交叉指叶片结构；2、阴极；3、哑铃型阻抗转换器；4、斜面阻抗转换器；5、输入矩形波导；6、上阳极盖；7、工字形阻抗转换器；8、阳极筒；9、下阳极盖；10、第二扇形谐振腔(小腔)；11、第一扇形腔(大腔)；12、输出矩形波导；13、漂移区；14、第三扇形谐振腔；15、第四扇形谐振腔；16、矩形耦合缝隙；17、端帽。
具体实施方式
42.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
43.本发明在异腔结构(旭日型)的正交场放大器上进行的改进，通过设置第三扇形谐振腔与第四扇形谐振腔连通大小腔，同时构成了交叉指结构，改善了频率分隔度和纵向场均匀性，较大的频率分隔可以抑制竞争频率，纵向场均匀性一定程度也影响电子和场的互作用。还在不影响频率的情况下，同时提高了耦合阻抗到156欧姆，保证了电子与高频场的互作用能力。
44.本实施例放大器的工作频率为37.3ghz附近，阳极筒内均匀设置有11个交叉指叶片，交叉指叶片高度为4mm，内半径ra为1.43mm，阳极盖厚度为0.5mm；阳极筒的内半径即第一扇形谐振腔半径r2为4.3mm，第二扇形谐振腔半径r1为2.53mm，即本发明的第一扇形谐振腔与第二扇形谐振腔的深度比为2.68，保证了谐振的长波群与短波群的频率分隔。同时第一扇形谐振腔与第二扇形谐振腔对应的圆心角角度相同，都为8.2度。第三扇形谐振腔与第四扇形谐振腔的半径也为r1，高度为0.65mm，保证频率分隔的同时维持了π模的工作频率。
45.输入输出耦合缝隙之间间隔有两个交叉指叶片和一个第一扇形谐振腔，将该部分填充作为漂移区，漂移区对应的圆心角角度为57度。漂移区对应的部分阴极不发射电子，在管子达到稳定状态后，产生电子轮辐，在输出端没有打在阳极且没有回轰阴极的电子会越过漂移区重新参与能量交换，提高效率。
46.输入部件采用了哑铃型的阻抗变换器，并加入斜面阻抗转换结构，这种光滑的渐变过渡结构可以减少信号的反射损耗。斜面结构长4mm，宽0.6mm，得到电压驻波比低于1.65，信号从输入部件到输出部件传输效果良好。
47.输入矩形耦合缝隙的缝宽为0.4mm，输出矩形耦合缝隙的缝宽为0.42mm，阴极半径为0.91mm，端帽厚0.4mm，距离阳极盖0.8mm。在37.25ghz-37.4ghz的频带内，带宽增益在15db以上，在37.32ghz频点内输出功率达到最大，频谱纯净。
48.如图2、3所示，实际加工时，将每一片叶片对称剖分为两片完全相同的结构，并分别与上下阳极盖连接。然后上下结构卡合，组合成完整的慢波结构。上下卡合结构相对于传
统交叉指结构更加精细，定位更准确，更方便装配。
49.本实施例得到的正交场放大器在37.25ghz-37.4ghz的频带内，实现带宽增益在13db以上，在37.32ghz频点内输出功率达到最大，效率为40％。