本發明屬于大功率毫米波技術中的功率源技術領域，具體涉及一種能直接輸出線極化高斯波束的回旋行波管橫向輸出裝置。

背景技術：

回旋行波管是一種大功率的寬帶毫米波放大器，具有寬頻帶、高功率、高增益和高效率等特點，在通訊、雷達、精確制導和材料處理等方面有著廣泛的應用市場。在回旋行波管的實現過程中，寄生諧振(包括輸入輸出及局部結構引起的反射、工作模式在截至頻域的不穩定、返波諧振等)的抑制是設計過程中最為關鍵的環節。TE_1,1模作為圓波導的基模，不僅有利于減少器件內模式競爭，還有利于提高器件增益，是回旋行波管常用的工作模式。

輸出裝置是回旋行波管的關鍵組成部分，對輸出功率、模式純度以及整管效率有著重要的影響。為了實現電磁能量的高效、平穩輸出，輸出裝置要盡可能地抑制工作模式的終端反射。因此，輸出裝置通常采用半徑漸張的圓波導結構，直接與收集極輸入端相接，在軸向上實現能量輸出。對于工作模式為TE_1,1模的回旋行波管而言，這種傳統的軸向輸出的方式在應用中會存在以下兩種不足：一是互作用區輸出為圓極化TE_1,1模經輸出結構輸出后，仍然為圓極化波。傳輸鏈路中存在的不勻稱(彎頭的使用、傳輸波導的不均勻性)均會導致相位發生變化，從而惡化波束的軸比；二是TE_1,1模損耗較大，不利于遠距離傳輸和直接應用。因此，通常需要在回旋管后連接模式變換器、圓極化器，將回旋管的工作模式轉換成適宜遠距離傳輸的線極化高斯波束。在大功率輸出條件下，為保證功率容量，模式變換器、圓極化器等功能器件均需采用過模波導結構。這種過模結構的模式變換器，存在易產生寄生模式、變換長度長、插損大、需要冷卻的缺點，一方面不利于回旋行波管性能的充分發揮，另一方面也大大增加了整個發射機系統的復雜度。

技術實現要素：

為了解決TE_1,1模回旋行波管存在的輸出模式不利于直接應用和遠距離傳輸的問題，以及對應的大功率毫米波傳輸系統難以實現高效率、緊湊化、小型化等方面的需求問題，本發明提出了一種回旋行波管的輸出裝置，能有效輸出線極化高斯波束，不再需要外接模式變換器、圓極化器等器件。

本發明提出的一種回旋行波管的輸出裝置，包括依次連接的圓-橢圓波導過渡段、橢圓波導段、橢圓-圓波導過渡段和圓波導輻射器，四者內壁光滑過渡且波導中心線共軸。

所述圓-橢圓波導過渡段連接回旋行波管收集極的輸出端，將輸出的圓極化TE_1,1模分解成幅值相等、相位相差90度的一對簡并模。

所述橢圓波導段將簡并模中一個極化方向的模式轉化為與之電場方向垂直的另一方向上，實現圓極化到線極化的轉化，得到線極化TE_1,1模。

所述橢圓-圓波導過渡段將橢圓波導過渡到圓波導，實現與圓波導輻射器的良好匹配。

所述圓波導輻射器將線極化TE_1,1模轉換成高斯波束，并通過后接的輸出窗實現對外輸出。

進一步地，所述圓-橢圓波導過渡段為內壁光滑的漸變結構，輸入端的尺寸與收集極輸出口徑一致，輸出端口徑與橢圓波導段一致。

進一步地，所述橢圓波導段，其截面半徑滿足

r(φ)＝a₀+a₁ cos(2φ)。

其中，a₀為橢圓波導平均半徑，a₁為角向擾動因子，且(a₀-a₁)f≥0.8785*10⁸，f為中心頻率，φ為角度。

進一步地，所述圓-橢圓波導過渡段為內壁光滑的漸變結構，其輸入端的尺寸與收集極輸出口徑一致，輸出端口徑與橢圓波導段一致。

進一步地，所述波導輻射器與橢圓-圓波導過渡段連接的一段設置為圓波導，另一段為內壁光滑的波導喇叭，且喇叭內徑變化方式可以是連續漸張型、先張后縮型、腰鼓型、張-縮-張型等。

進一步地，圓-橢圓波導過渡段、橢圓波導段、橢-圓波導過渡段可以單獨組合使用，實現線極化TE_1,1模的輸出。

進一步地，波導輻射器也可以單獨使用，即波導輻射器直接連接收集極輸出端，實現圓極化高斯波束輸出。

進一步地，所述輸出裝置的材料為銅。

本發明的工作原理如下：從回旋行波管收集極輸出的圓極化TE_1,1模依次經過圓-橢圓波導過渡段、橢圓波導段、橢圓-圓波導過渡段后，會被轉化成線極化TE_1,1模。進入波導輻射器后，線極化TE_1,1模被進一步轉化成線極化的高斯波束或者HE_1,1模。最終透過后續的介質窗，實現對外輸出。

本發明可以達到以下有益效果：

(1)設計的輸出裝置能直接輸出高斯波束，而不是TE_1,1模，有利于降低輸出窗的設計難度，提高回旋管的輸出效率。

(2)通過對輸出裝置進行設計，可控制輸出高斯波束的束腰大小及位置，方便與后續高功率毫米波鏈路的連接。

(3)設計的輸出裝置能輸出線極化波而不是圓極化波，不必擔心傳輸鏈路不均勻性引起的相位變化，有利于降低加工及安裝要求。

(4)設計的輸出裝置能直接輸出高斯波束，不需要使用外接過模波導模式變換器，不僅有利于實現大功率毫米波回旋行波管的寬頻帶、高效率和高功率工作，還有利于大功率毫米波應用系統的緊湊化和小型化。

附圖說明

圖1為本發明的整體結構圖；

圖2為輸出裝置的駐波特性；

圖3為輸出裝置在頻率為f＝31GHz時的輸出場分布；

圖4為輸出裝置在頻率為f＝35GHz時的輸出場分布；

圖5為輸出裝置在頻率為f＝37GHz時的輸出場分布。

圖中：1為圓-橢圓波導過渡段、2為橢圓波導段、3為橢圓-圓波導過渡段、4波導輻射器。

具體實施方式

下面結合實例對本發明做進一步詳細描述。

參見圖1，以Ku波段回旋行波管的橫向輸出裝置為例。該輸出裝置材料為銅，屬于內置型部件，整體安裝在回旋管內的真空環境中，由圓-橢圓波導過渡段、橢圓波導段、橢圓-圓波導過渡段和圓波導輻射器段組成。這四個部分依次連接且內腔平滑過渡。

圓-橢圓波導過渡段為內壁光滑的波導，圓波導內壁半徑為7.7mm，橢園波導半徑為7.7mm，角向擾動因子為0.27mm，過渡段長13.5mm。圓-橢圓波導過渡段作為饋電輸入結構，與回旋管的收集極相接，將輸出的圓極化TE_1,1模分解成幅值相等、相位相差90度的一對簡并模。

橢圓波導段為規則橢圓波導，長軸為7.97mm，短軸為7.43mm，長度為50.5mm。橢圓波導段將產生的電場方向垂直的簡并模為單一線極化模式，實現圓極化向線極化的轉換。

橢圓-圓波導過渡段的入口尺寸為規則橢圓波導尺寸，輸出端為半徑7.7mm圓波導，該過渡段長為13.5mm。

圓波導輻射器與橢圓-圓波導過渡段連接的一段設置為圓波導，圓波導長度為10mm；另一段為內壁光滑的張-縮-張型波導喇叭，輸入端半徑為7.7mm，輸出端半徑為16mm，長度為49.44mm；通過優化設計喇叭波導內壁曲線就能控制波導模式的成分及耦合量，從而調整輻射器的波束寬度、副瓣電平增益。

整個輸出裝置總長度為135.94mm，僅為中心頻點對應的工作波長的6.3倍，結構緊湊。

參見圖2，在13GHz-17GHz的頻率范圍內，ku波段回旋行波管的橫向輸出裝置的反射均低于20dB。參見圖3-5，在頻率為13-17GHz的范圍內，Ka波段回旋行波管的橫向輸出裝置的輻射場具有良好的對稱性，表明輸出場分布為高斯波束。

把此結構應用回旋行波管上，實現了大功率毫米波線極化高斯波束輸出。

作為大功率回旋行波管的重要組成部分，輸出裝置的性能對于整管的效率、增益以及后續的傳輸應用均有重要影響。本發明設計的回旋行波管輸出裝置能在寬頻帶內直接輸出線極化高斯波束，在實際應用中不再需要使用模式變換器、圓極化器等功能器件，不僅有利于提高大功率毫米波系統的效率，還有利于大功率毫米波系統的緊湊化設計。