CN102074439B - 一种角向加载螺旋线的圆波导慢波结构 - Google Patents

Abstract

一种角向加载螺旋线的圆波导慢波结构，属于真空电子技术领域。包括一个半径为R₁的圆波导、N个相同的螺旋线和两个外半径为R₁，内半径为R₅的圆环介质片；两个圆环介质片分别固定于圆波导的两个端面，N个相同的螺旋线均连接于连个圆环介质片之间，使得N个相同的螺旋线在圆波导内部呈角向均匀分布状；两个圆环介质片的空心部分以及所有螺旋线环绕的空间部分共同形成电子注通道。本发明可工作于短毫米波和太赫兹波段，能有效提高耦合阻抗，并且色散曲线较为平坦，使得采用该新型慢波结构的行波管具有更高的增益和互作用效率，并获得较大输出功率；此外，本发明能够大大降低相速，从而可以采用较低的工作电压，有利于器件的小型化。

Description

一种角向加载螺旋线的圆波导慢波结构

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，涉及行波管放大器件。

背景技术

行波管是真空电子技术领域内最为重要的一类微波源，具有大功率、高效率、高增益、宽频带和长寿命的特点，广泛应用于雷达、制导、卫星通信、微波遥感、辐射测量等领域，其性能直接决定着装备的水平。行波管的核心部件是慢波结构。

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，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，从而导致采用传统的慢波结构的行波管由于束流密度、散热以及加工工艺的限制，使得器件的输出功率严重下降，无法满足装备系统对功率和带宽的要求。所以，开展可工作在高频率波段的新型慢波线行波管的研究具有十分重大的意义。

介质加载角向周期圆波导慢波结构，如图1所示，即在传统的介质加载圆波导结构的角向周期性地插入一系列金属柱，是一种结构简单，加工精度高的慢波结构。该结构主要有功率容量大、加工比较容易以及输入输出结构相对简单的优点。根据国外相关的报道，该结构在毫米波段很有潜力成为一种高功率辐射源。

但是，因为介质的相对介电常数ε_r有限，其慢波比不可能很大，根据能量守恒定律可知器件的工作电压和相速成正比，所以，当相速过大时，会导致器件的工作电压过大，非常不利于装备的小型化。此外，如果选择介电常数较大的材料，耦合阻抗也会严重下降，从而导致整管的功率和增益下降。

发明内容

为了提高介质加载角向周期圆波导结构的耦合阻抗，以及降低工作电压，从而使得行波管具有更高的效益和增益，本发明提出了一种适用于小型化毫米波行波管的角向加载螺旋线的圆波导慢波结构。

本发明所采用的技术方案是：

一种角向加载螺旋线的圆波导慢波结构，如图2所示，包括一个半径为R₁的圆波导4、N个相同的螺旋线3和两个外半径为R₁，内半径为R₅的圆环介质片1和2；两个圆环介质片1和2分别固定于圆波导4的两个端面，N个相同的螺旋线3均连接于两个圆环介质片1和2之间，使得N个相同的螺旋线3在圆波导4内部呈角向均匀分布状。更为具体地说，N个相同的螺旋线3呈角向均匀分布在圆波导4内部外径为R₂、内径为R₃的圆环柱状空间内，其中相邻两个螺旋线3之间的角向距离

为2π/N，且R₁>R₂＞R₃＞R₅；两个圆环介质片的空心部分以及所有螺旋线环绕的空间部分共同形成电子注通道5。

上述技术方案中，所述螺旋线3的横截面形状可以呈圆形、圆环扇形、正方形或者其它各种多边形的形状；所述圆环介质片1,2的材料可以是氧化铝陶瓷或者氮化硼陶瓷。

本发明提供的角向加载螺旋线的圆波导慢波结构与现有的介质加载角向周期圆波导慢波结构相比，角向加载螺旋线圆波导慢波结构能够有效地提高互作用效率，降低工作电压，有利于器件的小型化；可以使器件工作于短毫米波和太赫兹波段，同时可以有效提高耦合阻抗，并且色散曲线较为平坦，使得采用该新型慢波结构的行波管具有更高的增益和互作用效率，并在太赫兹波段获得较大输出功率；此外，本发明能够大大降低相速，从而可以采用较低的工作电压，有利于器件的小型化。

附图说明

图1是现有的介质加载角向周期圆波导慢波结构的结构示意图。其中，1是部分填充介质的金属圆波导，2是角向周期排列的金属柱，3是电子注通道。1、2是一对介质圆环片，3是角向均匀分布的螺旋线，4是金属圆波导，5是电子注通道。

图2是本发明提供的角向加载螺旋线圆波导结构的结构示意图。

图3是本发明提供的角向加载螺旋线圆波导慢波结构的横截面的二维尺寸标注图

图4是发明提供的角向加载螺旋线圆波导慢波结构和介质加载角向周期圆波导慢波结构的色散特性比较图。

图5是发明提供的角向加载螺旋线圆波导慢波结构和介质加载角向周期圆波导慢波结构的耦合阻抗比较图。

在图4和图5中：曲线1和曲线3分别是角向加载螺旋线圆波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线2和曲线4分别是介质加载角向周期圆波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线。

具体实施方式

一种角向加载螺旋线的圆波导慢波结构，如图2所示，包括一个半径为R₁的圆波导4、N个相同的螺旋线3和两个外半径为R₁，内半径为R₅的圆环介质片1和2；两个圆环介质片1和2分别固定于圆波导4的两个端面，N个相同的螺旋线3均连接于两个圆环介质片1和2之间，使得N个相同的螺旋线3在圆波导4内部呈角向均匀分布状。更为具体地说，N个相同的螺旋线3呈角向均匀分布在圆波导4内部外径为R₂、内径为R₃的圆环柱状空间内，其中相邻两个螺旋线3之间的角向距离

为2π/N，且R₁>R₂＞R₃＞R₅；两个圆环介质片的空心部分以及所有螺旋线环绕的空间部分共同形成了电子注通道5。

上述技术方案中，以W波段为例，所述角向周期加载螺旋线圆波导结构各部件尺寸为：金属圆波导4半径R₁为1毫米，螺旋线3个数N为8个，螺旋线3纵向周期L为0.2毫米，螺旋线3横截面宽度d为0.1毫米，螺旋线3横截面角度

为27度，螺旋线3上圆弧半径R₂为0.75毫米，螺旋线3下圆弧半径R₃为0.65毫米。

设定结构尺寸（单位：mm）：R₂/R₁=0.75,(R₂-R₃)/R₁=0.1,L/R₁=0.2,N＝8,R₁=1。利用三维电磁仿真软件对角向周期加载螺旋线圆波导结构进行仿真模拟，获得其色散特性和耦合阻抗，并联合介质加载角向周期圆波导一起进行相互比较，仿真结果如图5和图6所示，仿真中我们忽略固定螺旋线的介质圆环片。其中，曲线1和曲线3分别是角向加载螺旋线圆波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线2和曲线4分别是介质加载角向周期圆波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线。

从图5中曲线1、曲线2的比较可以明显看出：当两种结构的尺寸相同的情况下，角向加载螺旋线圆波导慢波结构的工作频带范围远远大于介质加载角向周期圆波导慢波结构的工作频带范围，并且相速也远远低于介质加载角向周期圆波导慢波结构的相速，同时，色散曲线也更加平坦。这就表明，角向加载螺旋线圆波导慢波结构能够有效地提高互作用效率，降低工作电压，有利于器件的小型化。

从图6中曲线3、曲线4比较可知：当两种结构的尺寸相同的情况下，在工作频段内，角向加载螺旋线圆波导慢波结构的耦合阻抗远远高于介质加载角向周期圆波导慢波结构的耦合阻抗。这说明，采用角向加载螺旋线圆波导慢波结构的行波管能够获得更高的增益和互作用效益。

这说明该发明能够有效提高耦合阻抗，色散曲线变得更加平坦，从而使得行波管的增益和效率得以提高；此外，由于相速的降低，使得器件的工作电压大大降低，有利于在小型化器件中的应用。

Claims (3)

1.一种角向加载螺旋线的圆波导慢波结构，包括一个半径为R₁的圆波导（4）、N个相同的螺旋线（3）和两个外半径为R₁，内半径为R₅的圆环介质片（1和2）；两个圆环介质片（1和2）分别固定于圆波导（4）的两个端面，N个相同的螺旋线（3）均连接于两个圆环介质片（1和2）之间，使得N个相同的螺旋线（3）在圆波导（4）内部呈角向均匀分布状；N个相同的螺旋线（3）呈角向均匀分布在圆波导（4）内部外径为R₂、内径为R₃的圆环柱状空间内，其中相邻两个螺旋线（3）之间的角向距离

为2π/N，且R₁>R₂＞R₃＞R₅；两个圆环介质片的空心部分以及所有螺旋线环绕的空间部分共同形成电子注通道（5）。

2.根据权利要求1所述的角向加载螺旋线的圆波导慢波结构，其特征在于，所述螺旋线（3）的横截面形状是圆形、正方形或者其它各种多边形。

3.根据权利要求1所述的角向加载螺旋线的圆波导慢波结构，其特征在于，所述圆环介质片（1和2）的材料是氧化铝陶瓷或者氮化硼陶瓷。

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