CN102324362B

CN102324362B - 圆弧形微带曲线平面慢波器件

Info

Publication number: CN102324362B
Application number: CN2011101503860A
Authority: CN
Inventors: 段兆云; 刁鹏; 林娴静
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: CN102324362A

Abstract

该发明属于微波真空电子技术中与行波管配套用半圆弧形微带曲线平面慢波器件，包括：氮化硼基片，固定于基片上带输入、输出端的半圆环形微带曲线以及金属外壳。该发明采用连接部位为光滑半圆弧形的微带曲线、以及介电常数较低、而抗压强度、硬度及导热系数均很高的氮化硼作基片；既提高了慢波器件的耦合阻抗及输出功率、又有效地提高了基片的强度、散热性及慢波器件生产中的成品率和使用寿命。因而具有在微带曲线平面慢波器件小型化的同时、能在毫米波以上频段稳定、可靠地工作，且散热性好、耦合阻抗及输出功率高，与工作在毫米波频段以上的行波管配套使用时的性能及可靠性高，慢波器件生产中的成品率高、使用寿命长等特点。

Description

圆弧形微带曲线平面慢波器件

技术领域

本发明属于微波真空电子技术领域中与行波管配套用慢波器件，特别是一种半圆弧形微带曲线平面慢波器件。

背景技术

行波管是靠连续调制电子注的速度来实现微波被放大的真空电子器件。在行波管中，电子注同慢波器件中行进的电磁行波发生有效互作用，在长达几十个波长的慢波电路中，电子注连续不断地把电子的动能交给电磁行波，从而使电磁行波得到放大。行波管具有大功率、高效率、高增益、宽频带和长寿命等特点。

慢波器件是放大微波能量的主要部件，它是行波管的核心器件之一，它的高频特性的好坏直接影响到行波管的性能，它的任务是传输高频电磁波并使该电磁波的相速略低于电子注的平均直流速度，从而实现电子注与电磁波的有效互作用。慢波器件特性的改善对提高和改善相应器件的功率、效率和频带等特性有着重要的作用。

随着真空电子技术的发展，诸如螺旋线、耦合腔等传统的慢波器件得到了很大的改进。与此同时，许多新型的慢波器件也引起了人们更多的关注，它们的许多特性是传统慢波器件无法比拟的。近年来，平面型慢波器件得到了进一步重视。作为平面型慢波器件的成员，微带型慢波器件加工工艺简单，散热性能好，成本低，结构小，重量轻，而且传统的微带线工艺加工技术已十分成熟，这为批量生产提供了广阔的前景。微带曲线平面慢波器件是一类新型的可适用于带状电子束的平面型慢波器件。山东大学的张大勇等人在军用微波管研讨会第十五届学术年会上发表的《微带型曲折线慢波结构的理论研究》会议论文中提出一种直角形微带曲线平面慢波器件，包括：基片，固定于基片上带输入、输出端的方波形微带曲线以及金属外壳。该器件是一种工作在S波段(2-4GHz)的微带曲线平面慢波器件，其中的基片为纯度99％的氧化铝(Al₂O₃)陶瓷，其上嵌入的微带曲线为与电子注传播方向垂直的一组相互平行、等距排列且首、尾相连的方波形微带曲线(亦称直角形微带曲线)，图1所示即为该类平面慢波器件的结构示意图。采用此类慢波器件的行波管具有较宽频带、大电流和低工作电压等优点，因而此类慢波器件是一种很有潜力的与微型毫米波行波管配套用平面慢波器件。该微带形平面慢波器件的主要制作工艺过程包括：

1)金属层的沉积：将磨好的基片置于真空溅射机内以溅射沉淀金属材料；

2)光刻：在基片上复制出掩模板上的图形，即微带型曲线的图形，在沉积好金属的基片上涂胶，烘干以除去胶层内的溶剂，置于曝光机中进行曝光，对曝光后的基片进行显影，用溶剂去除曝光部分的光刻胶，在基片上形成所需要的光刻胶图形；

3)刻蚀：通过化学刻蚀液和被刻蚀金属层之间的化学反应，将被刻蚀物质剥离下来，形成要要的方波形微带曲线形状。

此类微带曲线平面慢波器件与微波行波管配套用虽然具有较好的效果，但与工作在毫米波频段以上的行波管配套使用时、因其慢波器件的结构尺寸将变得非常小，对直角的拐角加工精度要求高，实际加工往往很难精确实现；并且由于直角处突变造成的不匹配将引起波的反射，而且当微带曲线的尺寸很小时，在直角角尖处也易产生尖端放电效应；此外，基片采用纯度为99％的氧化铝陶瓷，氧化铝陶瓷的相对介电常数比较高(ε_r＝9.6)，工作在S波段时基片厚度为1.35mm，该氧化铝陶瓷基片尚可使用；但是当行波管工作在W波段(94～97GHz)时，要求基板很薄(厚度在十几个微米)，这时的氧化铝陶瓷很容易破碎，加之氧化铝陶瓷的导热系数(W·(m·K)^-1)仅为25.5、其散热性能仍较差，这既影响了该器件生产的成品率、又影响了此类平面慢波器件性能的进一步提高，该方波形微带曲线平面慢波器件的耦合阻抗及输出功率也相对较低。上述“方波”微带曲线由于微带曲线在直角形拐角处呈现突变引起的波反射、直角的角尖处又易产生放电效应，加之采用氧化铝陶瓷作基片、不但其散热性差，而且其性能因易破碎难以达到毫米波以上频段工作时对其强度的要求。因而，上述背景技术存在器件的结构难以小型化，基片散热性差，与工作在毫米波以上频段的行波管配套使用、其性能及可靠性差，耦合阻抗及输出功率相对较低等缺陷。

发明内容

本发明的目的是研究设计一种圆弧形微带曲线平面慢波器件，以克服背景技术微带曲线在直角的拐角处因呈现突变引起的波反射、且在直角的角尖处又易产生的放电效应，以及氧化铝陶瓷作基片在一定的厚度以下易破碎、使器件的结构难以小型化等缺陷，以达到在使微带曲线平面慢波器件小型化的同时、能在更高的频段工作且耦合阻抗及输出功率高、散热性好，有效提高与工作在毫米以下的高频波段行波管配套使用时的性能及其可靠性，以及延长慢波器件的使用寿命等目的。

本发明的解决方案是将方波形微带曲线的连接部位由直角方式连接改为半圆弧(环)形连接，使微带曲线成为一个平滑的半圆弧形微带曲线，从而既避免了微带曲线因突变引起传输中的反射现象，又增大了微带曲线在相邻拐角处之间的距离、防止了微带曲线在拐角处产生尖端放电，同时简化了微带曲线的加工工艺、进一步提高了慢波器件的耦合阻抗及输出功率；采用相对介电常数ε_r＝4，抗压强度、硬度及导热系数均远大于氧化铝陶瓷的氮化硼作基片、以有效提高基片的强度和散热性，在实现器件小型化的同时、满足器件在更高频段工作的要求；本发明即以此实现其发明目的。因而，本发明圆弧形微带曲线平面慢波器件包括基片，固定于基片上带输入、输出端的由一组相互平行、等距排列且首、尾相连的微带曲线以及金属外壳，关键在于基片为氮化硼基片固定于基片上的相互平行、等距排列且首、尾相连的微带曲线的连接部位为半圆环形微带曲线，微带曲线底面与基片上表面按传统的溅射沉淀法固定成一体。

上述半圆环形微带体的厚度及径向宽度与微带曲线主体的厚度及宽度相同。而所述氮化硼基片，氮化硼的纯度为≥99wt％、电常数ε_r＝3～5、维氏硬度为HV3200～4000、抗压强度为800～1000MPa、导热系数(W·(m·K)^-1)为79.5。

本发明将平面慢波器件中的方波形微带曲线改为光滑半圆弧形微带曲线，从而既避免了微带曲线因突变引起传输中的反射现象，又增大了微带曲线在相邻拐角处之间的距离、防止了微带曲线在拐角处产生尖端放电，同时简化了微带曲线的加工工艺，并使慢波器件的耦合阻抗及输出功率得以提高；采用相对介电常数ε_r＝4，抗压强度、硬度及导热系数均远大于氧化铝陶瓷的氮化硼作基片，又有效地提高了基片的强度、散热性及慢波器件生产中的成品率和使用寿命，在实现器件小型化的同时、满足器件在更高频段工作的要求。本发明氮化硼基片的维氏硬度高达HV3200～4000、同时其抗压强度高达800～1000MPa、导热系数(W·(m·K)^-1)为79.5均比氧化铝陶瓷的硬度HV1900、抗压强度9～10MPa及25.5的导热系数(W·(m·K)^-1)高出许多倍；与工作在90～110GHz的行波管配套使用时、其耦合阻抗可较背景技术提高7.7～10.2％，在工作频段94～97GHz时其耦合阻抗可较背景技术提高8.0～8.3％、归一化相速比提高7.0～7.2％。因而，本发明具有在微带曲线平面慢波器件小型化的同时、能在毫米以下高频波段工作稳定、可靠地工作，散热性好、耦合阻抗及输出功率高，与工作在毫米波频段以上的行波管配套使用时的性能及可靠性高，慢波器件生产中的成品率高、使用寿命长等特点。

附图说明

图1是背景技术结构示意图；

图2是本发明圆弧形微带曲线平面慢波器件的结构示意图(三维图)；

图3是本发明实施方式与背景技术的耦合阻抗比较图。

图中：1.基片，2.微带线，3.带状电子注(工作时的运动轨迹)，4.壳体。

具体实施方式

本实施方式以与行波管配套工作在90～110GHz波段的圆弧形微带曲线平面慢波器件为例，其中：基片1(长×宽×厚)14.72×0.5×0.05mm、材质为纯度99wt％、相对介电常数ε_r＝4、损耗角正切tanδ＝0.00025的氮化硼；微带线2的线体(长×宽×厚)81.48×0.04×0.015mm、材质为金属Cu，微带曲线共92个周期，整条微带曲线沿电子注方向长14.72mm(即每个周期沿电子注方向长0.16mm)，相邻两根平行微带之间的间隔均为0.04mm，连接部位半圆环形微带曲线的内半径均为R0.02mm；金属壳体4(长×宽×高)14.72×0.6×0.4mm；配套使用时前、后两端分别与行波管的电子枪及收集极连接。本实施方式圆弧形微带曲线平面慢波器件仍采用常规工艺，即：首先采用真空溅射法将金属Cu沉积于磨好的基片1上，然后按上述结构、尺寸经光刻处理及化学刻蚀处理即制得固定于基片1上，连接部位为半圆环形的微带(曲)线2，最后采用无氧Cu封装即成。

Claims

1.一种圆弧形微带曲线平面慢波器件，包括基片，固定于基片上带输入、输出端的由一组相互平行、等距排列且首、尾相连的方波形微带曲线以及金属外壳，其特征在于基片为氮化硼基片，而固定于基片上的相互平行、等距排列且首、尾相连的方波形微带曲线的连接部位为半圆环形，微带曲线底面与基片上表面按传统的溅射沉淀法固定成一体。

2.按权利要求1所述圆弧形微带曲线平面慢波器件，其特征在于所述半圆环形微带体的厚度及径向宽度与微带曲线线体的厚度及宽度相同。

3.按权利要求1所述圆弧形微带曲线平面慢波器件，其特征在于所述氮化硼基片的氮化硼纯度为≥99wt%、电常数ε_r=3～5，基片的维氏硬度为HV3200～4000、抗压强度为800～1000MPa、导热系数为79.5。