CN101894724B - 一种v型微带曲折线慢波结构 - Google Patents

一种v型微带曲折线慢波结构 Download PDF

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Abstract

一种V型微带曲折线慢波结构，属于微波真空电子技术领域，涉及行波管放大器件。包括由金属底板(3)、介质层(2)和平面金属线(1)形成的微带传输线结构；其特征在于，所述介质层(2)位于金属底板(3)与平面金属线(1)之间；所述平面金属线(1)由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构；其中相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形，“V”字形或倒“V”字形夹角2θ小于180度。所述介质层(2)的形状可与金属底板(3)相同或与平面金属线(1)相同。本发明同现有的直角型微带曲折线慢波结构相比，具有更宽的工作频带和更高的耦合阻抗，能够进一步满足装备系统对该类器件在工作带宽、输出功率、重量和体积方面的需求。

Description

一种V型微带曲折线慢波结构
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
行波管是真空电子学领域内最为重要的一类微波、毫米波源，具有大功率、高效率、高增益、宽频带和长寿命的特点，广泛应用于毫米波雷达、制导、通信、微波遥感、辐射测量等领域，其性能直接决定着装备的水平。
随着现代电子技术的飞速发展，我国航天工程和新一代卫星迫切需求大量具有宽频带、高效率、重量轻、体积小的毫米波源。然而，与固态器件相比，现阶段的行波管虽然功率大、带宽宽，但是体积庞大且非常笨重，无法满足装备系统对体积和重量的要求；而固态器件虽然具有体积小、重量轻的优点，但其功率较小、带宽较窄，又无法满足装备系统对功率和带宽的要求。这是由它们不同的工作机理所决定，由于固态器件中，电子在固体媒介运动，运动过程中会受到各种粒子的碰撞，故电子的漂移速度受到很大的限制，所以在大功率方面的应用受到了很大的限制；而行波管中，电子的运动媒质为自由空间，速度快，采用了电子注和微波场在自由空间的作用原理，可以产生更大的功率。然而随着工作频率的升高，特别是在短毫米波波段甚至是太赫兹波段，器件的尺寸将变得很小，传统的螺旋线和耦合腔行波管将难以加工，螺旋线行波管目前也只能工作在60GHz以下，而耦合腔行波管的精密加工以及装配都面临着巨大的困难和挑战。因此，开展可工作在高频率波段的新型慢波线行波管的研究十分必要。
微带曲折线慢波结构是一类新型可适用于带状电子束传输的平面慢波结构。现有的直角型微带曲折线，如图1所示，包括位于金属底板3上面的介质层2和位于介质层2表面的平面金属线1，其中平面金属线1在介质平板2上呈直角弯曲形状周期性排列下去，形成平面慢波电路。加工方面可采用成熟的微加工工艺(如光刻、化学气相沉积等技术)，因而管子体积小、重量轻，而且造价低、加工方便。直角型微带曲折线慢波结构采用带状电子束4与波进行互作用，如图2所示。该类慢波结构的行波管具有宽频带、大电流和低工作电压等特点，其是一种很有潜力的微小型毫米波行波管，在相应的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。
但是，直角型微带曲折线慢波结构行波管的工作频带相对较窄，而耦合阻抗比较小，从而限制了其应用发展。
发明内容
为了在同等尺寸下提高微带曲折线慢波结构的工作频带，并提高其耦合阻抗，本发明提出了一种V型微带曲折线慢波结构，能够进一步满足装备系统对该类器件在工作带宽、输出功率、重量和体积方面的需求。
本发明所采用的技术方案是：
一种V型微带曲折线慢波结构，如图3、4所示，包括由金属底板3、介质层2和平面金属线1形成的微带传输线结构。所述介质层2位于金属底板3与平面金属线1之间；所述平面金属线1由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构；其中相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形，“V”字形或倒“V”字形夹角(2θ)小于180度。
上述技术方案具体包括以下两种技术方案：
(一)第一技术方案
一种V型微带曲折线慢波结构，如图3所示，包括由金属底板3、介质层2和平面金属线1形成的微带传输线结构。所述介质层2位于金属底板3与平面金属线1之间，其形状与金属底板3相同。所述平面金属线1由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构；其中相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形，“V”字形或倒“V”字形夹角(2θ)小于180度。
(二)第二技术方案
一种V型微带曲折线慢波结构，如图4所示，包括由金属底板3、介质层2和平面金属线1形成的微带传输线结构。所述介质层2位于金属底板3与平面金属线1之间，其形状与平面金属线1相同。所述平面金属线1由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构；其中相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形，“V”字形或倒“V”字形夹角(2θ)小于180度。
定义上述两种V型微带曲折线慢波结构的尺寸如下：介质层材料2的介电常数为ε，介质层厚度为h，介质层宽度为a，平面金属线1的线宽为w，相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形宽度为p，“V”字形或倒“V”字形夹角为2θ。
上述两种V型微带曲折线慢波结构，包括以下各种形式的变形结构：1)相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形夹角相等；2)相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形夹角递增；3)相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形夹角递减；4)相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形夹角随机变化。
本发明提供的V型微带曲折线慢波结构，同样采用采用带状电子束4与波进行互作用(如图2所示)。经仿真证明，本发明提供的V型微带曲折线慢波结构同现有的直角型微带曲折线慢波结构相比，在具有宽频带、大电流和低工作电压等特点的同时，具有更宽的工作频带和更高的耦合阻抗。其中介质层2与平面金属线1形状相同的V型微带曲折线慢波结构(上述第二技术方案)比介质层2与金属底板3形状相同的V型微带曲折线慢波结构(上述第一技术方案)，在相同的尺寸条件下能够进一步提高微带曲折线慢波结构的工作带宽、耦合阻抗和输出功率。
附图说明
图1是现有直角型微带曲折线慢波结构的结构示意图。
图2是加载带状电子束的直角型微带曲折线慢波结构的示意图。
图3是本发明提供的一种V型微带曲折线慢波结构的结构示意图。
图4是本发明提供的另一种V型微带曲折线慢波结构的结构示意图。
图5是本发明提供的V型微带曲折线慢波结构中，单元结构的二维尺寸标注图。
图6是直角型微带曲折线慢波结构和本发明提供的两种V型微带曲折线慢波结构的色散特性比较图。
图7是直角型微带曲折线慢波结构和本发明提供的两种V型微带曲折线慢波结构的耦合阻抗比较图。
在图6和图7中：曲线6和曲线9分别是直角型微带曲折线慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线7和曲线10分别是本发明提供的第一种V型微带曲折线慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线8和曲线11分别是本发明提供的第二种V型微带曲折线慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线。
具体实施方案
实施方式一：
一种V型微带曲折线慢波结构，如图3所示，包括由金属底板3、介质层2和平面金属线1形成的微带传输线结构。所述介质层2位于金属底板3与平面金属线1之间，其形状与金属底板3相同。所述平面金属线1由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构；其中相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形，“V”字形或倒“V”字形夹角(2θ)小于180度。
实施方式二：
一种V型微带曲折线慢波结构，如图4所示，包括由金属底板3、介质层2和平面金属线1形成的微带传输线结构。所述介质层2位于金属底板3与平面金属线1之间，其形状与平面金属线1相同。所述平面金属线1由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构；其中相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形，“V”字形或倒“V”字形夹角(2θ)小于180度。
在确定相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形夹角相等(周期性结构)，同时确定上述两种实施方式的相关尺寸(单位：mm)：a＝0.72、b＝0.36、p＝0.07、h＝0.1、w＝0.02和介质层2的介电常数ε＝4的条件下，得到两种具体的V型微带曲折线慢波结构。将这两种具体的V型微带曲折线慢波结构与相同尺寸下的直角型微带曲折线慢波结构利用三维电磁仿真软件进行仿真，获得它们的色散特性和耦合阻抗，仿真结果如图6和图7所示。其中，曲线6和曲线9分别是直角型微带曲折线慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线7和曲线10分别是第一种V型微带曲折线慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线8和曲线11分别是第二种V型微带曲折线慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线。
从图6中曲线6、曲线7、曲线8比较可知：相比于直角型微带曲折线慢波结构，V型微带曲折线慢波结构的色散曲线更平坦，能工作的频带范围有很大幅度的提升；而两种V型微带曲折线慢波结构相比，第二种V型微带曲折线慢波结构能工作的频带范围又有了很大幅度的提升。
从图7中曲线9、曲线10、曲线11的比较可以明显看出：相比于直角型微带曲折线慢波结构，V型微带曲折线慢波结构在高频端的耦合阻抗更高；而两种V型微带曲折线慢波结构相比，第二种V型微带曲折线慢波结构的耦合阻抗又有了明显的提高。
综合图6和图7可知，在同等结构尺寸和工艺条件下，本发明提供的V型微带曲折线慢波结构能够工作于更高的频段、具有更宽的工作带宽，同时还具有更高的偶合阻抗、可获得更高的输出功率。

Claims (7)

1.一种V型微带曲折线慢波结构，包括由金属底板(3)、介质层(2)和平面金属线(1)形成的微带传输线结构；其特征在于，所述介质层(2)位于金属底板(3)与平面金属线(1)之间；所述平面金属线(1)由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构；其中相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形，“V”字形或倒“V”字形夹角2θ小于180度。
2.根据权利要求1所述的V型微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述介质层(2)的形状与金属底板(3)相同。
3.根据权利要求1所述的V型微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述介质层(2)的形状与平面金属线(1)相同。
4.根据权利要求2或3所述的V型微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形夹角相等。
5.根据权利要求2或3所述的V型微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形夹角递增。
6.根据权利要求2或3所述的V型微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形夹角递减。
7.根据权利要求2或3所述的V型微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述相邻两段平面金属线段构成“V”字形或倒“V”字形夹角随机变化。
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