小型化行波管直角弯头输入结构设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:孟晓君

  本文对某一微波功率模块(MPM)用小型化行波管的直角弯头输入结构进行了降低结构高度的研究。新直角弯头输入结构的高度从原结构的28.4mm减小到15.8mm,输入匹配性能也得到同步提升。MPM 的宽度可由此减小12.6mm,因此可获得更高的集成度。

  小型化、平面化、集成化是真空电子器件的现在和未来发展方向之一,因此微波功率模块(简称为MPM)的小型化研究始终是目前和今后一个时期真空电子器件领域的重要任务。

  MPM 实为模块化的微波发射机,采用MPM可以方便地构建大型微波发射机。MPM 结构上的典型特点为尺寸小、集成度高。如图1所示,MPM的组成结构主要由小型化行波管、集成电源和固态放大器三者进一步集成于一个外壳中而来。MPM的工作原理可简述为:集成电源为小型化行波管和固态放大器提供各路供电以及控制接口;固态放大器将输入至MPM 的微波信号进行预放大,形成小型化行波管所需要的微波功率电平;小型化行波管为微波末级功放,实现微波功率的放大输出。要想实现MPM 结构的小型化,首先是各组成组件的小型化,此外,在布局上应尽量减少无用空间。因此,行波管结构小型化是在MPM 小型化的主要研制内容之一。

MPM 结构示意图

图1 MPM 结构示意图

  行波管结构小型化就是指其结构的长度(L)、厚度(H)和宽度(W )的分别小型化。行波管的长度尺寸取决于增益的大小,增益越低长度越短,一般情况下,只要合理将MPM 需要的增益分配于固态放大器和行波管,就能够有效缩短行波管的长度,从而满足MPM 对行波管长度尺寸的限制;行波管的厚度可以通过减小其电子枪、高频段和收集极的径向尺寸而满足;相比较而言,对行波管的宽度进行小型化比较困难,如图1所示,主要是因为其射频输入接口和射频输出接口都是沿宽度方向横向引出的。射频输出接口可直接引出MPM 壳体,从而较容易避免小型化问题;射频输入接口连接着去往固态放大器的电缆组件,结构上需要进行直角拐弯,由此造成了可观的无用空间,降低了MPM 的集成度。因此缩小直角弯头输入结构尺寸,就成为行波管宽度小型化的关键所在。本文的研究方向即为小型化行波管直角弯头输入结构设计。

1、优化仿真

  一般情况下,MPM 用行波管的射频输入结构由同轴窗、标准同轴接头、标准直角弯头电缆组件构成,这里标准同轴接头和标准直角弯头电缆组件统称为直角弯头电缆组件,图2所示,其中直角拐弯由2.2mm半刚同轴电缆弯曲而成。此输入结构不仅高度高(从轴心到半刚同轴电缆外径为28.4mm),而且匹配性能也不佳,一般驻波在2.5以内。

  为了近一步降低直角弯头输入结构的高度和提高匹配性能,在同轴窗结构尺寸不变的情况下,需降低直角弯头电缆组件的高度尺寸以及设计良好的宽带匹配结构。为此设计了非标的直角转弯区与标准的2.2mm电缆以及锁紧螺母组合而成的新直角弯头电缆组件,如图3所示。其中直角转弯区的高度决定了直角弯头电缆组件的高度。因此文章的主要研究内容为小尺寸直角转弯的宽带匹配设计及小型化直角弯头电缆组件结构的实现。

行波管输入接口常规用直角弯头输入结构示意图

图2 行波管输入接口常规用直角弯头输入结构示意图

新直角弯头输入结构示意图

图3 新直角弯头输入结构示意图

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