CN101572205B - 一种曲折双脊波导慢波线 - Google Patents

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Abstract

一种曲折双脊波导慢波线，属于微波真空电子技术领域，涉及行波管放大器件。由双脊波导(4)沿电场面周期性弯曲成直角型曲折线或U型曲折线，形成慢波结构；再沿慢波结构的中轴对称线(2)的位置在波导壁上开圆形通孔；然后在慢波结构的每个曲折周期结构的直角槽或U型槽的两个圆形通孔之间，用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道。该慢波线比之常规曲折波导慢波线，具有更低的截止频率，更宽的通带范围，其色散特性更为平坦。此外，在色散特性相近的情况下，曲折双脊波导慢波线具有更小的横截面尺寸，使得在相同聚焦磁场的作用下，可以更好地保证行波管中电子注的传输特性，从而可以改善行波管整体的输出功率和增益。

Description

一种曲折双脊波导慢波线
技术领域
本发明属于微波真空电子技术领域，涉及行波管放大器件。
背景技术
现代行波管已成为雷达、电子对抗、卫星通信、导航、遥感等电子设备的重要微波电子器件。慢波线作为行波管注-波互作用以激励微波能量的部件，则是行波管的核心，其性能直接决定着行波管的技术水平。在行波管中，使用最广泛的慢波结构为螺旋线和耦合腔。螺旋线的色散特性平坦，工作频带宽，在行波管中得到了广泛应用；但螺旋线行波管的输出功率受到限制，特别是当行波管工作于短厘米和毫米波段时，由于螺旋线横向尺寸极小，散热困难，其功率容量小。耦合腔的耦合阻抗高，互作用效率高，但这是以减小带宽为代价的。此外，毫米波耦合腔行波管尺寸很小，加工、装配精度要求高，成品率低，成本高。因此，寻找能工作在毫米波段，性能优良的新型行波管慢波结构就显得十分必要了。
曲折波导慢波线，如图1所示，是一类新型全金属慢波线，它是由矩形波导1沿电场面(波导宽面)周期性弯曲成直角型曲折线或U型曲折线而形成的；再沿慢波结构的中轴对称线2的位置在波导壁上开圆形通孔；然后在慢波结构的每个周期性直角槽或U型槽的两个圆形通孔之间，用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管3连接，形成电子注通道。曲折波导慢波线沿纵向对称面的剖面图如图2所示。该慢波结构在实现大功率容量的同时，具有良好的宽带性能。该结构主要有机械强度高、散热好、功率容量大、加工比较容易以及输入输出耦合结构相对简单的优点。同时，由于可以采用微细加工技术来制造，以曲折波导慢波结构为核心的微型曲折波导行波管在毫米波段很有潜力成为一种大功率、小型辐射源，在军事电子系统以及宽带毫米波通讯等领域具有很好的应用前景。
根据已有的国内外相关实验报道，虽然曲折波导慢波结构的绝对带宽较大，但慢波结构的相对带宽较窄，有待于进一步去提高。此外，随着行波管工作在越来越高的频带上，曲折波导慢波结构的电子注半径会明显变小，这就要求周期永磁聚焦系统能提供足够强度的纵向磁场，来保证电子注的流通率。
发明内容
为了进一步提高带宽性能，拓展工作频带；同时为了更有效地利用聚焦系统的磁场资源，解决电子注半径小所带来的磁场聚焦问题，本发明提出了一种曲折双脊波导慢波线。
本发明的核心出发点是基于相对于相同尺寸的矩形波导，双脊波导中TE10模的截止波长更长，适用于更低的频率，有更宽的工作频率范围；在截止波长相同时，双脊波导的尺寸可以比矩形波导的尺寸更小。
本发明所采用的技术方案是：
一种曲折双脊波导慢波线，如图3所示，由双脊波导4沿电场面周期性弯曲成直角型曲折线或U型曲折线，形成慢波结构；再沿慢波结构的中轴对称线2的位置在波导壁上开圆形通孔；然后在慢波结构的每个曲折周期结构的直角槽或U型槽的两个圆形通孔之间，用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管3连接，形成电子注通道。
曲折双脊波导慢波结构的尺寸参数如图4所示：a为双脊波导宽边长度，b为双脊波导窄边长度，L为单个曲折周期结构的曲折长度，p为单个曲折周期结构的轴向长度，r0为电子注通道的半径，a0为双脊波导的脊宽，b0为双脊波导的脊间距。双脊波导的相关尺寸满足：2r0＜a0＜a，0＜b0＜b。
设定结构尺寸(单位：mm)：a＝5，b＝1，L＝4.76，p＝1.5，r0＝0.5，a0＝2.5，b0＝0.4。利用三维电磁仿真软件对曲折双脊波导慢波线进行仿真模拟，获得其色散特性，并与普通曲折波导慢波线的色散特性比较，仿真结果如图5所示。其中曲线5为曲折双脊波导慢波结构的色散特性，曲线6为普通曲折波导慢波结构的色散特性。
从图5中曲线5与曲线6的比较可以明显看出：曲折双脊波导慢波线比曲折波导慢波线具有更低的截止频率，更宽的通带范围，色散曲线更为平坦，能在更宽的频率范围内实现注-波互作用同步条件。换一个角度来看，如果要求相同的截止频率，则曲折双脊波导的宽边尺寸更小，慢波结构横截面尺寸更小。这就使得周期永磁聚焦系统的磁场区半径相应减小，从而有利于提高轴线上的纵向磁场强度，可以更有效地利用磁场资源。那么，在电子注电流相同的情况下，可以更好保证电子注在通道中的流通。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是普通曲折波导慢波结构的三维示意图。
图2是普通曲折波导慢波结构沿纵轴方向的剖面图。
图3是曲折双脊波导慢波结构的三维意图。
图4是曲折双脊波导慢波结构的尺寸标注图。
图5是曲折双脊波导慢波结构与普通曲折波导慢波结构的色散特性比较图
在以上各图中：1是矩形波导，2是慢波结构的中轴对称线，3是形成电子注通道的金属管，4是双脊波导，曲线5是曲折双脊波导慢波结构的色散特性，曲线6是普通曲折波导慢波结构的色散特性。
具体实施方案
如图4，在8mm毫米波段，曲折双脊波导慢波线具体方案的结构尺寸如下(单位：mm)：
a＝5，b＝1，L＝4.76，p＝1.5，r0＝0.5，a0＝2.5，b0＝0.4。利用三维电磁仿真软件对曲折双脊波导慢波线进行仿真模拟，获得其色散特性，并与普通曲折波导慢波线的色散特性比较，仿真结果如图5所示。其中曲线5为曲折双脊波导慢波结构的色散特性，曲线6为普通曲折波导慢波结构的色散特性。
从图5中曲线5与曲线6的比较可以明显看出：曲折双脊波导慢波线比曲折波导慢波线具有更低的截止频率，更宽的通带范围，色散曲线更为平坦，能在更宽的频率范围内实现注-波互作用同步条件。换一个角度来看，如果要求相同的截止频率，则曲折双脊波导的宽边尺寸更小，慢波结构横截面尺寸更小。这就使得周期永磁聚焦系统的磁场区半径相应减小，从而有利于提高轴线上的纵向磁场强度，可以更有效地利用磁场资源。那么，在电子注电流相同的情况下，可以更好保证电子注在通道中的流通。

Claims (1)

1.一种曲折双脊波导慢波线，由双脊波导(4)沿电场面周期性弯曲成直角型曲折线或U型曲折线，形成慢波结构；再沿慢波结构的中轴对称线(2)的位置在波导壁上开圆形通孔；然后在慢波结构的每个曲折周期结构的直角槽或U型槽的两个圆形通孔之间，用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道；
双脊波导宽边长度为a，双脊波导窄边长度为b，单个曲折周期结构的曲折长度为L，单个曲折周期结构的轴向长度为p，电子注通道的半径为r0，双脊波导的脊宽为a0，双脊波导的脊间距为b0；双脊波导的相关尺寸满足：2r0＜a0＜a，0＜b0＜b。
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