CN103632905A - 一种梯形线结构慢波线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯形线结构慢波线，在矩形波导内周期性地交错排列矩形金属板，在矩形波导上下内壁相邻处开矩形槽作为电磁波耦合槽，以便电磁波能够通过，在电磁波耦合槽下方紧贴矩形金属板处两侧分别加有一块矩形金属脊，在加有矩形金属脊的矩形金属板中心开一个矩形孔作为电子注通道提供电子束必须的通道。本发明梯形线结构慢波线为脊加载矩形波导，相对于相同尺寸的矩形波导，其TE10模的截止波长更长，适用于更低的频率，有更宽的工作频带，同时，由于矩形金属脊的存在，使得在电子注通道处的纵向电场得到增强，从而可以得到更高的耦合阻抗，使行波管具有更高的增益和效率。

Description

一种梯形线结构慢波线

技术领域

本发明属于微波真空电子器件技术领域，更为具体地讲，涉及行波管中的一种梯形线结构慢波线。

背景技术

行波管作为微波频段应用最为广泛的电真空器件，在毫米波雷达、制导、通信、微波遥感、辐射测量等众多领域具有突出的应用地位。由于其无可替代的宽频带特点，现代行波管已成为各领域装备中最重要的一种微波管。

一支典型的行波管由电子枪、聚焦系统、慢波线（慢波结构）、输入输出装置和收集极五部分组成。作为行波管的核心部件，慢波线的任务是传输高频电磁行波并使电磁波的相速降到同步速度，以实现电磁波对电子注的调制，从而使电子注交出直流能量放大高频场。因此，慢波线作为行波管注波互作用激励微波能量的核心部件，其性能直接决定了行波管的工作带宽、输出功率和效率等，决定着行波管的技术水平。

在行波管中，使用最广泛的慢波结构为耦合腔和螺旋线。

螺旋线慢波结构的色散特性平坦，工作频带宽，在低频段的行波管中得到了广泛的应用；但由于散热困难等因素，螺旋线行波管的输出功率受到限制；特别是当行波管工作在厘米和毫米波段时，由于螺旋线横向尺寸极小，散热困难，并且电子注通道的尺寸变得很小，严重制约了它的功率容量。

传统的耦合腔慢波结构包括休斯结构、三叶草结构、Chodoro-Ndos结构等。相较于螺旋线慢波结构，耦合腔慢波结构采用多个腔体作为慢波结构，因此具有更大的耦合阻抗，因而互作用效率较高；通过选择合适的腔体尺寸和腔体耦合技术，可以提高电子注的速度，因而可以实现高的峰值功率；另外，由于耦合腔慢波结构基本上属于由铜和铁组成的全金属结构，机械强度高、热阻小，可以给出较高的平均功率，但是耦合腔慢波结构的带宽较窄。此外，在毫米波波段，耦合腔慢波结构的尺寸很小，按照传统方式设计的耦合腔慢波结构的制造技术面临的重要问题：对零件的加工误差要求非常苛刻、装配精度要求高，成品率低，成本高。

梯形线结构慢波线是一种结构简单、易加工简单的耦合腔结构。它是通过铜板上开槽，形成“梯”形或“梳”形结构的方式制造的，利用在梳齿顶端切割半圆槽的方式形成电子束通道，然后将两个结构相同的零件焊接在一起，在梯形线组件的两面焊上盖板就构成了整个高频电路。

根据贯通耦合通道位置的不同，梯形线结构慢波线可以分为三种：具有双贯通耦合通道的梯形结构、具有交错耦合通道的梯形结构和具有双交错通道的梯形结构。其中双贯通耦合通道的梯形结构具有最大的功率，而双交错梯形线具有最宽的工作频带，单交错梯形线的性能较为均衡。

梯形线结构慢波线的矩形金属板与矩形波导的接触面积大，散热能力很强，因此梯形线结构慢波线的功率容量大，即有能力承受高输出功率的工作状态，这是其第一个优点。当电磁波在梯形线结构慢波线中传输单位长度时相位的改变量（相移）增大，频率反而减少（负色散状态）时，行波管的工作电压低；而改变梯形线结构慢波线的耦合槽尺寸，可以改变电磁波的相移随频率的变化趋势，因此，梯形线结构慢波线具有工作电压低的优点，这是其第三个优点。

尽管梯形线结构慢波线具有上述优点，但是梯形线结构慢波线的单腔增益比较低，因此功率放大能力和增益比较小，在应用于行波管时需要的长度较长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种梯形线结构慢波线，在同等尺寸下提高梯形线结构慢波线的工作频带，并进一步提高其耦合阻抗，从而使行波管具有更高的增益和效率。

为实现上述发明目的，本发明梯形线结构慢波线，包括：

一段直的矩形波导，矩形波导的横截面尺寸由工作频率决定；

其特征在于，还包括：

多片矩形金属板，每一片矩形金属板的两侧，在竖直方向中心位置加有矩形金属脊；

每片加有矩形金属脊的矩形金属板中心位置开矩形孔，作为电子注通道，每片加有矩形金属脊的矩形金属板的一端开有矩形槽，作为电磁波耦合槽；

加有矩形金属脊的矩形金属板加载在矩形波导内，并按固定周期交错排列，构成了脊加载梯形线结构慢波线；

其中，所述交错为加有矩形金属脊的矩形金属板的矩形槽交替位于矩形波导上下内壁，所述矩形金属脊的宽边长度小于矩形槽宽度并且大于二分之一矩形槽宽度，矩形金属脊的窄边长度等于矩形金属板高度减去矩形槽高度。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明梯形线结构慢波线，在矩形波导内周期性地交错排列矩形金属板，在矩形波导上下内壁相邻处开矩形槽作为电磁波耦合槽，以便电磁波能够通过，在电磁波耦合槽下方紧贴矩形金属板处两侧分别加有一块矩形金属脊，在加有矩形金属脊的矩形金属板中心开一个矩形孔作为电子注通道提供电子束必须的通道。正常工作时，适当地选择矩形金属板中心矩形电子注通道的尺寸，就可以使电子束能够通过，而电磁波不能通过，即电磁波只能通过矩形槽传输。

本发明梯形线结构慢波线为脊加载矩形波导，相对于相同尺寸的矩形波导，其TE10模的截止波长更长，适用于更低的频率，有更宽的工作频带，因此本发明的脊加载梯形线结构慢波线具有更宽的工作频带；同时，由于矩形金属脊的存在，使得在电子注通道处的纵向电场得到增强，从而可以得到更高的耦合阻抗，从而具有更高的互作用效率，使行波管具有更高的增益和效率。

附图说明

图1是现有技术梯形线结构慢波线的结构示意图；

图2是本发明梯形线结构慢波线一种具体实施方式结构示意图；

图3是图2所示梯形线结构慢波线中矩形金属板以及矩形金属脊的尺寸标注图；

图4是本发明梯形线结构慢波线与现有的梯形线结构慢波线的色散特性对比图；

图5是本发明梯形线结构慢波线与现有的梯形线结构慢波线的耦合阻抗特性对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是现有技术梯形线结构慢波线的结构示意图。

如图1所示，梯形线结构慢波线由一系列的加载在矩形波导中的矩形金属板3排列连接而成，每片一端开有矩形槽即耦合槽1，矩形槽交替位于矩形波导上下内壁即矩形金属板3按固定周期交错排列，两片矩形金属板3之间构成耦合腔2，矩形金属板3中心位置开矩形孔作为电子注通道4。电子束沿着电子注通道4传输，电磁波沿着耦合槽1、耦合腔2传输并在耦合腔2中获得电子束能量，得以放大。

图2是本发明梯形线结构慢波线一种具体实施方式结构示意图。

在本实施例中，如图2所示，本发明梯形线结构慢波线包括一段直的矩形波导，矩形波导的横截面尺寸由工作频率决定。此外，还包括多片矩形金属板3，每一片矩形金属板3的两侧，在竖直方向中心位置加有矩形金属脊5；

每片加有矩形金属脊的矩形金属板3中心位置开矩形孔作为电子注通道4，每片加有矩形金属脊的矩形金属板的一端开有矩形槽作为电磁波耦合槽1；

加有矩形金属脊的矩形金属板3加载在矩形波导内，并按固定周期交错排列，构成了脊加载梯形线结构慢波线；

其中，所述交错为加有矩形金属脊的矩形金属板3的矩形槽即电磁波耦合槽1交替位于矩形波导上下内壁，所述矩形金属脊的宽边长度5小于矩形槽1宽度并且大于二分之一矩形槽宽度，矩形金属脊5的窄边长度等于矩形金属板3高度减去矩形槽1高度。两片矩形金属板3之间构成耦合腔2。矩形金属板3放置方向上相差180°，这样就形成了交错的矩形电磁波通道。

当然在具体实施过程中，也可以采用通过铜板上开槽，形成带脊的“梯”形或“梳”形结构的方式制造。

图3标注出了矩形金属板以及矩形金属脊的各个尺寸参数，其中a为矩形金属板的高度，也即矩形波导的通道高度；b为矩形金属板的宽度，也即矩形波导的通道宽度；w为矩形金属脊的宽边长度，s为矩形金属脊的窄边长度，t为矩形金属脊的厚度；l为矩形槽的宽度，d为矩形槽的高度；m为电子注通道的高度，n为电子注通道宽度；c为矩形金属板的厚度，p为两个相邻矩形金属板的间距，p-c-2t为两个相邻矩形金属板之间空间的距离即间隙厚度，相关的尺寸满足：l/2<w<l，s=a-d，t<c/4.

在Ka波段，本发明梯形线结构慢波线具体方案的结构尺寸如下（单位：mm）：a=3.7,b=6,c=0.9,l=4.9,d=0.48,p=1.8,m=0.2,n=2,w=4.5,t=0.1。

利用三维电磁仿真软件对本发明梯形线结构慢波线进行仿真模拟，获得其色散特性和耦合阻抗特性，并与现有技术梯形线结构慢波线的色散特性及耦合阻抗特性进行比较，仿真结果如图4和图5所示，其中图4中曲线1是本发明梯形线结构慢波线的色散特性，曲线2是现有技术梯形线结构慢波线的色散特性；图5中曲线3是本发明梯形线结构慢波线的耦合阻抗，曲线4是现有技术梯形线结构慢波线的耦合阻抗特性。

从图4中曲线1与曲线2的比较可以明显的看出：本发明梯形线结构慢波线比现有技术梯形线结构慢波线具有更低的截止频率，更宽的通带范围，色散曲线更为平坦，能在更宽的频率范围内实现注-波互作用同步条件。换一个角度来看，如果要求相同的截止频率，则脊加载梯形线结构慢波线的截面尺寸更小。这就使得周期永磁聚焦系统的磁场区半径相应减小，从而有利于提高轴线上的纵向磁场强度，可以更有效的利用磁场资源，那么，在电子注电流相同的情况下，可以更好的保证电子注在通道中的流通。

从图5中曲线3与曲线4的比较可以明显的看出：本发明梯形线结构慢波线比现有技术梯形线结构慢波线具有更大的耦合阻抗，意味着在进行注波互作用时，电子注能把更多的能量交给高频电磁场，得到更大的功率输出和增益。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种梯形线结构慢波线，包括：

一段直的矩形波导，矩形波导的横截面尺寸由工作频率决定；

其特征在于，还包括：

多片矩形金属板，每一片矩形金属板的两侧，在竖直方向中心位置加有矩形金属脊；

每片加有矩形金属脊的矩形金属板中心位置矩形孔，作为电子注通道，每片加有矩形金属脊的矩形金属板的一端开有矩形槽，作为电磁波耦合槽；

加有矩形金属脊的矩形金属板加载在矩形波导内，并按固定周期交错排列，构成了脊加载梯形线结构慢波线；

其中，所述交错为加有矩形金属脊的矩形金属板的矩形槽交替位于矩形波导上下内壁，所述矩形金属脊的宽边长度小于矩形槽宽度并且大于二分之一矩形槽宽度，矩形金属脊的窄边长度等于矩形金属板高度减去矩形槽高度。

2.权利要求1所述的脊加载梯形线结构慢波线，其特征在于，所述的矩形金属脊的厚度t<c/4，其中，c为矩形金属板的厚度。

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