CN103208407B

CN103208407B - 一种采用圆弧体“v”形波状微带曲线的慢波器件

Info

Publication number: CN103208407B
Application number: CN201310087385.5A
Authority: CN
Inventors: 魏彦玉; 刘鲁伟; 沈飞; 赵国庆; 宫玉彬; 王文祥
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: CN103208407A

Abstract

该发时属于微波真空电子技术领域中一种采用圆弧体“V”形波状微带曲线的慢波器件；该慢波器件包括圆筒形波导体及设于其内的圆弧体绝缘介质基底，以及设于圆弧体基底弧形表面上的圆弧体“V”形波状微带曲线；该发明由于采用圆筒形波导体，且设于其内的绝缘介质基底及“V”形波状微带曲线亦为圆弧体，工作时即可采用传统的圆柱形电子束与电磁波相互作用，不但有效提高了慢波器件的耦合阻抗和输出功率，而且还可在较低的工作电压下工作；因而与背景技术相比具有耦合阻抗和输出功率高、互作用效率高、工作电压较低，器件的体积小，有利于扩大其应用范围及波管性能的提高等特点。

Description

一种采用圆弧体“V”形波状微带曲线的慢波器件

技术领域

本发明属于微波真空电子技术领域中用于组成行波管及振荡器用的慢波器件，特别是一种采用圆弧体“V”形波形状微带曲线的慢波器件。

背景技术

现代行波管已成为雷达、电子对抗、卫星通信、导航、遥感等电子设备的重要微波电子器件。慢波器件作为行波管中进行注-波互作用以激励放大微波毫米波能量的部件，是行波管的核心，其性能直接决定着行波管的技术水平。在行波管中，使用最为广泛的慢波结构为螺旋线及其耦合腔。螺旋线的色散特性平坦，工作频带宽，在行波管中得到了广泛的应用；但是由于螺旋线的散热能力有限，导致螺旋线行波管的平均输出功率低，特别是当螺旋线行波管工作在毫米波段时，由于螺旋线的横向尺寸较小，散热性更差，功率容量更小，带宽亦较窄；此外，由于毫米波耦合腔慢波结构尺寸很小，加工和装配精度要求高，因而成品率低、成本较高，其应用范围受到限制。

微带曲（折）线慢波器件是一类新型的可适用于带状电子束传输的平面慢波器件。该类器件由于可以采用成熟的微加工工艺(如光刻、化学气相沉积等技术)进行加工，因而慢波器件的体积小、重量轻，加工方便，造价较低。现有的“V”形波状微带曲线慢波器件，如图1所示，包括一个矩形金属壳体（波导）1，一个设于矩形波导中的绝缘介质基底3，以及一个位于绝缘介质基底上表面的形状如“V”形波状的平面金属曲线（平面慢波曲线）2；该“V”形波状微带线慢波器件工作时采用带状电子束4与电磁波进行互作用,具有宽频带、电流大和工作电压较低等特点。但是该慢波器件一是需要采用带状电子束进行工作，而用来产生带状电子束的电子枪的加工和装配精度要求极高、很难制作，而且带状电子束的聚焦技术也不成熟,带状电子束的传输较差,电子很容易打到慢波结构上引起二次电子发射,使互作用效率降低,甚至会烧毁慢波器件；二是绝缘介质基底的面积与矩形波导内腔底面积相同，因而设于绝缘介质基底上的慢波曲线最大投影面积（互作用面积）只能小于绝缘介质基底面积（即远小于矩形波导体内表面积的二分之一），在耦合腔内表面一定的条件下、其耦合阻抗及互作用效率的提高受到极大限制；因而，此类带状电子束平面慢波器件存在耦合阻抗高、互作用效率仍相对较低，工作电压相对仍较高，且可靠性亦较差，仍难以广泛推广应用等缺陷。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种采用圆弧体“V”形波状微带曲线的慢波器件，在实现器件小型化、重量轻的前提下，达到有效提高慢波器件的耦合阻抗高、互作用效率、使用的可靠性、应用范围以及与行波管配套使用时的聚焦性和输出功率等目的。

本发明的解决方案是采用圆筒形金属壳体作为波导体以代替矩形波导体，同时在圆筒形波导体内设置圆弧体绝缘介质层及“V”形波状微带曲线，使其在工作时可采用传统的圆柱形电子束与电磁波相互作用，以进一步提高慢波器件的耦合阻抗和输出功率、降低工作电压，同时克服带状电子束产生和传输困难、不利于后续行波管的聚焦等缺陷，本发明即以此实现其发明目的。因而本发明慢波器件包括波导体，绝缘介质基底及设于该基底上的“V”形波状微带曲线，关键在于波导体为圆筒形波导体，绝缘介质基底为圆弧体基底，而设于圆弧体基底的弧形表面上的“V”形波状微带曲线亦为圆弧体（即该微带曲线在波导体轴截面上的投影为圆弧形）；圆弧体基底顺波导体轴向紧固于波导体内壁上，“V”形波状微带曲线则顺轴向紧贴于圆弧体基底的弧形表面上。

上述设于圆弧形基底上的“V”形波状微带曲线中各“V”形夹角为5°-90°；“V”形波状微带曲线为矩形导线。而所述该微带曲线在波导体轴截面上的投影亦为圆弧形曲线，其圆弧形曲线的中心角为90°-270°。所述绝缘介质基底的材料为氮化硼或氧化铍、金刚石。

本发明由于采用圆筒形波导体以代替矩形波导体，且设于其内的绝缘介质基底及“V”形波状微带曲线亦为圆弧体，因而工作时可采用传统的圆柱形电子束与电磁波相互作用，不但有效提高了慢波器件的耦合阻抗和输出功率，而且还可在较低的工作电压下工作；此外，在微带线以及介质基底尺寸参数设置相同的条件下，背景技术平面慢波器件的体积比本发明体积大百分三十以上；同时克服带状电子束产生和传输困难，不利于行波管的聚焦等缺陷；因而本发明圆弧体V形波状微带曲线的慢波器件与背景技术相比具有耦合阻抗和输出功率高、互作用效率高、工作电压较低，器件的体积小，有利于扩大其应用范围及波管性能的提高等特点。

附图说明

图1为背景技术结构示意图；

图2为本发明圆弧体“V”形波状微带曲线的慢波器件结构示意图(三维图)；

图3为本发明实施方式与背景技术的归一化相速曲线对比图（坐标图）；

图4为本发明实施方式与背景技术的耦合阻抗曲线对比图（坐标图）。

图中：1.圆筒形波导体，2.圆弧体“V”形波状微带曲线，3.绝缘介质基底，4.电子束。

具体实施方式

本实施方式以与行波管配套工作在59-62GHz波段的圆弧体“V”形波状微带曲线的慢波器件为例：圆筒形波导体1材质为无氧铜，长30.4mm、内半径R0.33mm、壁厚0.2mm；圆弧体“V”形波状微带曲线2，其中各“V”形角（夹角）本实施方式为13.27°、微带曲线圆弧体的圆心角（即该微带曲线在波导体轴截面上投影的圆心角）为180°，本实施方式微带曲线采用矩形线（即线体的轴截面为矩形），其截面的矩形为（长×宽）0.04×0.02mm，材质为在59-62GHz波段电导率为3.5×10⁷S/m的无氧铜，本实施方式圆弧体“V”形波状微带曲线共设160个周期、即曲线整体沿波导体轴线（电子注）方向长为30.4mm；绝缘介质基底3的材质为相对介电常数ε_r=4、损耗正切角tanδ=0.00025的高导热、高硬度的氮化硼，本实施方式绝缘介质基底的圆心角为185°、厚0.05mm，轴向长与圆筒形波导体1相同、即均为30.4mm；本实施方式采用常规微加工工艺制成；配套使用时其前、后两端分别于行波管的电子枪及收集极连接。

本实施方式与微带线以及介质基底尺寸参数设置相同的条件下的背景技术均采用三维电磁仿真软件进行仿真处理，所得图3、图4即分别为色散曲线及耦合阻抗曲线的对比图（曲线坐标图）；其中：

从图3可看出：本实施方式的色散曲线与背景技术色散曲线平行、即与背景技术具有相同的带宽，而本实施方式的色散曲线所对应的数值较背景技术更小，表明本实施方式慢波器件可在较背景技术更低的电压下工作，其设备工作的稳定更好；

从图4可看出：本实施方式在全频带工作范围内与背景技术相比，本实施方式慢波器件的耦合阻抗更高，即互作用效率更高,输出功率更大。

Claims

1.一种采用圆弧体“V”形波状微带曲线的慢波器件，包括波导体，绝缘介质基底及设于该基底上的“V”形波状微带曲线，其特征在于波导体为圆筒形波导体，绝缘介质基底为圆弧体基底，而设于圆弧体基底的弧形表面上的“V”形波状微带曲线亦为圆弧体；圆弧体基底顺波导体轴向紧固于波导体内壁上，“V”形波状微带曲线则顺轴向紧贴于圆弧体基底的弧形表面上。

2.按权利要求1所述采用圆弧体“V”形波状微带曲线的慢波器件，其特征在于所述设于圆弧体基底上的“V”形波状微带曲线中各“V”形夹角为5°-90°；“V”形波状微带曲线为矩形导线。

3.按权利要求1或2所述采用圆弧体“V”形波状微带曲线的慢波器件，其特征在于所述微带曲线在波导体轴截面上的投影亦为圆弧形曲线，其圆弧形曲线的圆心角为90°-270°。

4.按权利要求1所述采用圆弧体“V”形波状微带曲线的慢波器件，其特征在于所述绝缘介质基底的材料为氮化硼或氧化铍、金刚石。