CN102956418B - 一种折叠框慢波结构 - Google Patents

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Abstract

一种折叠框慢波结构，属于微波电真空器件技术领域。包括形状和大小相同且相互平行的上、下金属底板（2和1）；上、下金属底板相向的表面各具有一层介质层（3和4）；上、下介质层（3和4）相向的表面各具有一层金属微带线（5和6），上、下金属微带线（5和6）线宽相同、各自呈周期性折叠状，且相互之间呈镜面对称；上、下金属微带线（5和6）对应的折叠顶点之间采用金属连线（7）相连。本发明提供的折叠框慢波结构与现有对称双V型微带线慢波结构相比，在整个工作频带内都具有更高的耦合阻抗值，从而可以进一步提高行波管的增益和效率。同时，折叠框慢波结构的制造能够利用微细加工技术实现，具有广泛的应用前景。

Description

一种折叠框慢波结构
技术领域
本发明属于微波电真空器件技术领域，涉及行波管放大器件。
背景技术
行波管具有宽频带、高增益和低噪声等其他电真空器件无法比拟的优点，被广泛应用于雷达、通信、微波遥感、制导和电子对抗等领域。随着现代微波电子技术的发展，航天工程和军用设备对毫米波源的宽频带、高效率、小型化提出了更高要求。然而，与现有的固态源相比，行波管虽然在高功率、宽频带方面具有优势，但是体积庞大，工作电压较高。慢波结构作为行波管的核心部件，直接影响注-波互作用的效率及整个行波管的技术水平。螺旋线和耦合腔是行波管中应用最普遍的两种慢波结构。螺旋线行波管具有十分宽的频带范围，但是由于热容量小，耗散能力低，限制了螺旋线行波管输出功率的提高。耦合腔行波管的散热性能明显优于螺旋线，输出功率大，但是工作带宽较窄。因此，探索宽频带、大功率、小体积的慢波结构是目前行波管发展的一个重要方向。
对称双V型微带线慢波结构，如图1所示，是一类新型可适用于带状电子注传输的平面慢波结构。该结构包括纵向对称的上下两个金属底板1和2、分别位于金属底板1和2上的两层介质3和4，以及分别位于介质层3和4表面的平面金属微带线5和6组成。其中，所述的平面金属微带线5和6关于中轴线完全对称，分别在介质层3和4表面呈V型弯曲形状周期性排列下去，形成平面微带慢波电路。对称双V型微带线慢波结构采用带状电子注7与波进行互作用。
对称双V型微带线慢波结构的立体结构尺寸示意图如图2所示。其中，介质层材料3和4的介电常数为ε，介质层厚度为h，介质层之间的距离为l，介质层宽度为a，平面金属微带线5和6的线宽为w，平面金属微带线的厚度为t，平面金属微带线的横向宽度为b，相邻两个平面金属微带线构成V形宽度为p，“V”字形夹角为2θ，并满足2θ<180°。
对称双V型微带线慢波结构行波管具有宽频带、大电流和低工作电压等特点，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信等领域具有很好的应用前景。但是，对称双V型微带线慢波结构行波管的耦合阻抗较小，从而限制了其应用发展。
发明内容
为了能够应用微细加工技术实现慢波结构的制造，同时能够在同等尺寸下提高对称双V型微带线慢波结构的耦合阻抗，本发明提出一种折叠框慢波结构，能够进一步满足装备系统对该类器件在工作带宽，输出功率和小型化方面的要求。
本发明采用的技术方案是：
一种折叠框慢波结构，如图3所示，包括下金属底板1和上金属底板2，所述下金属底板1和上金属底板2的形状和大小相同且相互平行；下金属底板1的上表面具有下介质层3，上金属底板2的下表面具有上介质层4，所述下介质层3和上介质层4的介质材料和厚度相同；下介质层3的上表面具有下金属微带线5，上介质层4的下表面具有上金属微带线6；所述下金属微带线5和上金属微带线6线宽相同、各自呈周期性折叠状，且相互之间呈镜面对称；下金属微带线5的每个折叠顶点与上金属微带线6对应的折叠顶点之间采用金属连线7相连。
上述折叠框慢波结构中，所述下金属微带线5或上金属微带线6可以呈V型、U型或正弦曲线型周期性折叠状，如图4（a）、（b）、（c）所示。
如图4和图6所示，本发明提供的折叠框慢波结构，若定义上、下介质层3或4的宽度为a，上、下金属微带线5或6的线宽为w、横向宽度为b、纵向周期长度为p，相邻两个折叠单元之间的夹角为2θ，则满足：2θ<180°、0<b≤a、0<2w<p。其它相关尺寸可定义为：上、下介质层3或4的厚度为h，上、下介质层之间的距离为l，上、下金属微带线5或6的厚度为t。
本发明提供的折叠框慢波结构，将其中上、下金属微带线5和6以及上、下金属微带线5和6之间对应折叠顶点之间的金属连线7展开来看，就会形成周期性矩形金属线框图形，其中单个周期的矩形金属线框如图5所示。由于上、下金属微带线5和6以及上、下金属微带线5和6之间对应折叠顶点之间的金属连线7展开来看形成周期性矩形金属线框图形，因此本发明提供的慢波结构被定义为折叠框慢波结构。
经三维电磁仿真软件仿真验证（以V型折叠框慢波结构为例），本发明提供的折叠框慢波结构与现有的对称双V型微带线慢波结构相比，在整个工作频带（40GHz~80GHz）内都具有更高的耦合阻抗值，从而可以进一步提高行波管的增益和效率。
附图说明
图1是加载带状电子束的对称双V型微带线慢波结构的示意图。
图2是对称双V型微带线慢波结构的立体结构尺寸示意图。
图3是本发明提供的折叠框慢波结构的立体结构示意图。
图4是本发明提供的V型（a）、U型（b）、正弦曲线型（c）折叠框慢波结构的立体结构示意图。
图5是本发明提供的V型折叠框慢波结构的截面尺寸标注图。
图6是本发明提供的V型折叠框慢波结构的二维尺寸标注图。
图7是V型折叠框慢波结构和对称双V型微带线慢波结构的色散特性比较图。
图8是V型折叠框慢波结构和对称双V型微带线慢波结构的耦合阻抗比较图。
具体实施方案
一种折叠框慢波结构，如图3所示，包括下金属底板1和上金属底板2，所述下金属底板1和上金属底板2的形状和大小相同且相互平行；下金属底板1的上表面具有下介质层3，上金属底板2的下表面具有上介质层4，所述下介质层3和上介质层4的介质材料和厚度相同；下介质层3的上表面具有下金属微带线5，上介质层4的下表面具有上金属微带线6；所述下金属微带线5和上金属微带线6线宽相同、各自呈周期性折叠状，且相互之间呈镜面对称；下金属微带线5的每个折叠顶点与上金属微带线6对应的折叠顶点之间采用金属连线7相连。如图4（a）所示，所述下金属微带线5或上金属微带线6呈V型周期性折叠状，整个折叠框慢波结构为V型折叠框慢波结构。
定义上、下介质层3或4的宽度为a，上、下金属微带线5或6的线宽为w、横向宽度为b、纵向周期长度为p，相邻两个折叠单元之间的夹角为2θ，则满足：2θ<180°、0<b≤a、0<2w<p。其它相关尺寸可定义为：上、下介质层3或4的厚度为h，上、下介质层之间的距离为l，上、下金属微带线5或6的厚度为t。
如图3、图5和图6，以V型折叠框慢波结构为例，具体方案的结构尺寸如下（尺寸单位：mm）：上、下介质层3或4的介电常数（ε）为4，h=0.05，l=0.31，a=0.88，w=0.02，t=0.01，p=0.124，b=0.44，2θ=12°。利用三维电磁仿真软件对本发明提供的V型折叠框慢波结构进行仿真，获得其色散特性和耦合阻抗，并与具有相同介质层材料介电常数ε，相同介质层厚度h，相同介质层之间的距离l，相同介质层宽度a，相同平面微带线线宽w，相同平面微带线厚度t，相同纵向周期长度为p，相同横向宽度b，相同V形夹角2θ的现有对称双V型微带线慢波结构比较。仿真结果如图7和图8所示。其中，其中，曲线11和曲线13分别是本发明提供的V型折叠框慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线；曲线12和曲线14分别是对称双V型微带线慢波结构色散特性曲线、耦合阻抗曲线。
从图7中曲线11和曲线12的比较可知：在整个频带内（20GHz~110GHz），本发明所提供的V型折叠框慢波结构的相速度略低于对称双V型微带线慢波结构。
从图8中曲线13和曲线14的比较可知：相比于对称双V型微带线慢波结构，本发明所提供的V型折叠框慢波结构在整个频带内都具有更高的耦合阻抗值，从而可以进一步提高行波管的增益和效率。
另外，本领域技术人员根据本发明说明书的描述，还可设计出上、下金属微带线5或6的纵向周期长度p呈线性递增或线性递减的变周期折叠框慢波结构，以满足特定场合的应用需求。

Claims (4)

1.一种折叠框慢波结构，包括下金属底板(1)和上金属底板(2)，所述下金属底板(1)和上金属底板(2)的形状和大小相同且相互平行；下金属底板(1)的上表面具有下介质层(3)，上金属底板(2)的下表面具有上介质层(4)，所述下介质层(3)和上介质层(4)的介质材料和厚度相同；下介质层(3)的上表面具有下金属微带线(5)，上介质层(4)的下表面具有上金属微带线(6)；所述下金属微带线(5)和上金属微带线(6)线宽相同、各自呈周期性折叠状，且相互之间呈镜面对称；其特征在于，下金属微带线(5)的每个折叠顶点与上金属微带线(6)对应的折叠顶点之间采用金属连线(7)相连。
2.根据权利要求1所述的折叠框慢波结构，其特征在于，所述下金属微带线(5)或上金属微带线(6)呈V型、U型或正弦曲线型周期性折叠状。
3.根据权利要求1所述的折叠框慢波结构，其特征在于，定义上介质层(4)和下介质层(3)的宽度为a，上金属微带线(6)和下金属微带线(5)的线宽为w、横向宽度为b、纵向周期长度为p，相邻两个折叠单元之间的夹角为2θ，则满足：2θ<180°、0<b≤a、0<2w<p。
4.根据权利要求1所述的折叠框慢波结构，其特征在于，所述上金属微带线(6)和下金属微带线(5)的纵向周期长度p呈线性递增或线性递减，使整个折叠框慢波结构成为变周期折叠框慢波结构。
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