CN101673866A

CN101673866A - 曲折槽波导慢波线

Info

Publication number: CN101673866A
Application number: CN200910060072A
Authority: CN
Inventors: 王文祥; 唐涛; 岳玲娜; 赵国庆; 魏彦玉; 宫玉彬
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2010-03-17

Abstract

曲折槽波导慢波线，属于微波电子管技术领域，涉及微波管高频系统中的慢波线结构。它是由槽波导顺槽的方向对槽进行来回折弯形成的，槽波导中基模的电场将在慢波线纵轴上最强，与电子注正好产生最强的互作用；槽波导上、下金属板之间有间隔，无需要专门的电子注通道，而支撑上、下金属板间隔的侧壁可以是金属、绝缘材料或微波吸收材料。本发明提供的曲折槽波导将保留有槽波导所具有的大尺寸、低损耗、宽频带的优点，曲折槽波导慢波线还具有允许大尺寸电子注通过，因而具有更高的输出功率和效率；同时，该慢波线还具有结构相对简单，加工精度要求低和加工容易的特点。本发明提供的曲折槽波导慢波线更适合在毫米波、亚毫米波波段行波管中应用。

Description

曲折槽波导慢波线

技术领域

本发明属于微波电子管技术领域，涉及微波管高频系统中的慢波线结构。

背景技术

作为微波传输线的普通波导工作到毫米波特别是短毫米波波段时，尺寸将变得十分小，极大地限制了传输微波的功率容量，同时，损耗却迅速增加，比如，在200GHz频率下，矩形波导的尺寸只有1.092mm×0.546mm，理论损耗达到9.7dB/m，实际测量达到的损耗更高达40dB/m，过模波导虽然可以增大波导尺寸，但却存在严重的高次模式竞争。

槽波导是上世纪六十年代提出的一种波导传输线，如图1所示，它由上、下金属板1、2，以及在金属板上加工出的槽3组成，槽3的形状可以是圆弧形、半圆形、矩形、椭圆形、三角形、梯形等，也可以是任意其它形状。图2给出了几种槽形的槽波导的横截面图，图中同时给出了在槽波导中基模高频场的分布，细实线为电力线，虚线为磁力线，具有其它槽形的槽波导中的基模高频场分布与此类似。可以看出这种场分布类似于圆波导中的TE₁₁模，它具有下述特点：

(1)在槽波导横截面的中心轴线方向上，电场具有横向最大值，当电子注沿着该方向通过时，就将与场发生最有效的相互作用；

(2)场主要集中在槽区，随着离开槽区距离的增加，基模场将迅速衰减，以致当离开槽区达到一定距离后，基模场实际上已趋于零。

槽波导克服了普通波导在尺寸和损耗方面的不足，具有尺寸大、损耗小，单模工作频率范围宽等优点，因而特别适合在毫米波、亚毫米波波段应用。以圆波导和半圆形槽波导比较为例，普通圆波导的TE₁₁模单模工作范围是2.61R＜λ＜3.14R，其中R为圆波导半径，λ为微波波长；而半圆形槽波导的单模工作范围可以达到0.99R＜λ＜3.27R，远大于圆波导的工作频率范围，其中R为半圆形槽的曲率半径；反之，若单模工作频率范围不变，则半圆形槽波导的尺寸就可以比圆波导尺寸大得多，从而功率容量也相应提高；至于损耗，同样在200GHz频率下，根据两块金属板1与2之间距离的不同，矩形槽波导的损耗大约在1～5dB/m之间，比同频率下的矩形波导的理论损耗9.7dB/m小得多。

将矩形窄波导顺其宽边(E面)来回折弯就形成曲折矩形波导(折弯时可以采用直角弯，也可以是圆弧弯)。图3给出了圆弧弯普通曲折矩形波导的立体示意图，图中4为矩形窄波导。折弯时，除了圆弧弯曲部分5外，还有一段直波导部分6，沿着普通曲折波导的中轴线开一个纵向贯通的圆形孔，相邻两个曲折单元的直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管连接，形成电子注通道7，从而构成曲折波导慢波线。图3中同时也画出了矩形波导中TE₁₀模的电力线分布。

沿通过曲折波导慢波线中轴线且平行于矩形波导窄边的中心平面剖开，可将曲折波导慢波线一分为二。因此，现有的曲折波导慢波线通常采用两块半金属板制作：其中一半金属板如图4所示(另一半金属板与它完全对称)，在两块半金属板上分别加工出半曲折矩形波导和半圆金属通孔8，然后将两块金属板合在一起形成完整的曲折矩形波导慢波线(两个半圆通孔8合在一起正好形成圆形电子注通道7)。

由于矩形波导中基模TE₁₀模的电力线垂直于波导宽边，因而矩形波导经折弯形成曲折波导后，电力线方向将正好在曲折波导的纵向(即中轴线方向)，当电子注在电子注通道7中通过时，电子运动方向与高频电场方向就会相同或相反，从而相互作用而产生能量交换，在一定条件下，使微波场得到放大；同时微波沿矩形波导曲折传输，它在曲折波导纵向的相速就慢了下来。可见，曲折波导可以成为微波管中发生注-波互作用的最重要的高频系统之一-慢波线，曲折矩形波导慢波线已被广泛应用于毫米波行波管中。

由于普通矩形波导工作到毫米波特别是短毫米波波段时，尺寸将变得十分小，极大地限制了传输微波的功率容量，同时，损耗却迅速增加；因此基于矩形波导的曲折矩形波导慢波线工作到毫米波特别是短毫米波波段时，同样存在尺寸小，传输微波的功率容量低，而损耗增加的缺陷，从而极大地限制了曲折矩形波导慢波线的应用。

发明内容

本发明提供一种曲折槽波导慢波线，该慢波线与现有的曲折矩形波导慢波线相比具有宽频带、大尺寸、低损耗的特点，且具有更高的输出功率和效率；同时，该慢波线还具有结构相对简单，加工精度要求低和加工容易的特点。

本发明基于普通曲折矩形波导慢波线同样的原理，将槽波导中的槽来回折弯成曲折槽波导(其折弯方式同样可以是直角折弯，也可以是圆弧折弯)，即形成本发明的曲折槽波导慢波线。

本发明技术方案如下：

曲折槽波导慢波线，如图5所示，包括相互平行的上金属板1和下金属板2，两块金属板上均具有曲折槽3，所述曲折槽3由系列弯曲槽部分9和直糟部分10首尾连接而成，且上、下金属板的曲折槽3相对于上、下金属板之间的中心平面呈镜面对称；上、下金属板之间通过位于上、下金属板长边边缘位置的支撑壁11(如图7所示)固定在一起。整个曲折槽波导相当于将槽波导中的槽来回折弯而成(其折弯方式可以是直角折弯，也可以是圆弧折弯；即曲折槽3的弯曲槽部分9可以是直角弯曲槽，也可以是圆弧弯曲槽)。

上述方案中，所述曲折槽3的横截面形状可以是圆弧、半圆形、矩形、椭圆形、三角形或梯形，也可以是其它任意形状。所述支撑壁11的材料可以是金属、绝缘材料或微波吸收材料。

需要说明的是，由于槽波导中高频场的电力线是接近平行于上、下金属板而不是垂直于金属板的，因而折弯时，不能对金属板进行折弯，而是顺槽的方向对槽进行来回折弯。曲折槽波导单片金属板的形状如图6所示，另一片的形状也完全与它对称。不难看出，如果槽是矩形的，则曲折槽波导的单片金属板与普通曲折矩形波导的一半金属板在形状上是基本相同的，只是曲折槽波导上已没有专门作为电子注通道的半圆形通孔8。这是因为，曲折槽波导的两片金属板合在一起形成完整的慢波线时，两片金属板并不接触，中间留有一定距离，这一间距自然形成了电子注的通路；而普通曲折矩形波导两半金属板合在一起时，必须完全合拢并牢固结合在一起，才能形成完整的曲折矩形波导慢波线，显然，这时在中轴线上单独开专门的圆形通孔来形成电子注通道成为必须；另外，正是由于槽波导上、下金属板之间有间隙，因而曲折矩形槽波导单片金属板上的槽深就比普通曲折矩形波导半金属板上的槽深要浅一些。

本发明提供的曲折槽波导慢波线的优越性在于：

(1)槽波导所具有的宽频带、大尺寸、低损耗的特点，在曲折槽波导中同样具有；

(2)在曲折槽波导中基模高频场在上、下金属板之间的中心对称面上具有最强的纵向电场，因此与电子注发生互作用最有效，有利于提高微波管的输出功率和效率；

(3)在曲折槽波导中，分离的上下金属板之间将自然形成电子注通道，并允许带状电子注通过，比之普通曲折波导的圆孔电子注通道，在带状电子注厚度与圆柱形电子注直径相同时，带状电子注的宽度可以比厚度大很多，因此在电流密度不变的情况下，带状电子注的总电流就可以比圆柱形电子注大得多，参与互作用的电流增加，微波管的输出功率就可以增加，由此可见，曲折槽波导慢波线行波管可以比普通曲折波导行波管在相同尺寸下获得更大的输出功率。

(4)由于在槽波导中，只要离开槽一定的距离，基模场就会衰减到很小，因此，在曲折槽波导慢波线中，我们可以很方便地在离开槽一定距离后，用支撑壁来支持固定上下金属板，如图7所示，支撑壁11可以是金属，也可以是绝缘材料或微波吸收材料，只要正确设计曲折槽波导，不论什么支撑壁都不会影响槽波导对基模的传输。

(5)曲折槽波导由于上下金属板的分离，上下金属板合在一起时中间有间距，因此降低了对上下金属板中槽的对准要求，而普通曲折矩形波导，由于必须使两半金属板合拢成整体，这样就要求两块金属板上的波导槽必须严格对准以形成完整的内壁光滑的矩形窄波导，并且要通过特殊方法将两块半金属板紧密牢固结合在一起。因而加工精度要求十分严格，工艺相对复杂。

基于曲折槽波导的这些优点，因此它更适合于在毫米波、亚毫米波波段行波管中作慢波线应用。

附图说明

图1是槽波导示意图，图中(a)是圆弧形槽波导，(b)是矩形槽波导。

图2是四种槽形的槽波导横截面图，槽形分别为：(a)三角形，(b)梯形，(c)半圆形和(d)矩形。图中给出了槽波导中基模高频电磁场的分布，细实线为电力线，虚线为磁力线。

图3为普通曲折矩形波导慢波线的立体示意图，图中同时给出了矩形波导中TE₁₀模电力线分布。

图4为实际加工出的普通曲折矩形波导慢波线的半金属板的图形。

图5是本发明提供的曲折圆弧槽波导慢波线的立体结构示意图。

图6为实际加工出的曲折圆弧槽波导慢波线的半金属板图形。

图7是本发明提供的曲折矩形槽波导慢波线的结构示意图。

以上各图中，1为槽波导上金属板；2为槽波导下金属板；3为槽波导的槽；4为形成曲折矩形波导的矩形窄波导形状及TE₁₀模电力线分布；5为普通曲折矩形波导慢波线中的弯曲波导部分；6为普通曲折矩形波导慢波线中的直波导部分；7为电子注通道；8则是在实际加工出的曲折矩形波导一半金属板上的半圆通孔；9是曲折槽波导慢波线中的弯曲槽波导部分；10是曲折槽波导慢波线中的直槽波导部分；11是曲折槽波导慢波线上下金属板之间的支撑侧壁。

具体实施方式

图5和图7给出了两种曲折槽波导慢波线的具体实施方式。

图5是一种曲折圆弧槽波导慢波线的立体结构示意图，这里为了能清楚看到槽的曲折情形，忽略了金属板的厚度；同时忽略了上、下金属板之间的支撑壁。

图7是一种曲折矩形槽波导慢波线的立体结构示意图。上、下金属板应该是在有一定厚度的金属板上直接挖曲折槽形成，与图6类似。这里为了能清楚看到槽的曲折情形，忽略了金属板的厚度。上、下金属板之间采用了氧化铍陶瓷条11支撑。

Claims

1、曲折槽波导慢波线，包括相互平行的上金属板(1)和下金属板(2)，两块金属板上均具有曲折槽(3)，所述曲折槽(3)由系列弯曲槽部分(9)和直槽部分(10)首尾连接而成，且上、下金属板的曲折槽(3)相对于上、下金属板之间的中心平面呈镜面对称；上、下金属板之间通过位于上、下金属板长边边缘位置的支撑壁(11)固定在一起；整个曲折槽波导相当于将槽波导中的槽来回折弯而成。

2、根据权利要求1所述的曲折槽波导慢波线，其特征在于，所述曲折槽(3)的弯曲槽部分(9)是直角弯曲槽。

3、根据权利要求1所述的曲折槽波导慢波线，其特征在于，所述曲折槽(3)的弯曲槽部分(9)是圆弧弯曲槽。

4、根据权利要求1、2或3所述的曲折槽波导慢波线，其特征在于，所述曲折槽(3)的横截面形状为圆弧、半圆形、矩形、椭圆形、三角形、梯形或其它任意形状。

5、根据权利要求1所述的曲折槽波导慢波线，其特征在于，所述支撑壁(11)的材料为金属、绝缘材料或微波吸收材料。