CN105355527B - 一种框—杆慢波结构 - Google Patents

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Abstract

一种框—杆慢波结构，属于微波电真空器件技术领域。该结构包括矩形筒形波导体（1）及设于其内的矩形筒形绝缘介质基底（2），以及设于矩形筒形绝缘介质基底（2）表面上的框—杆金属慢波电路（3）和框—杆慢波电路内部所围的中心真空互作用区（4）；其特征在于，所述框—杆金属慢波电路（3）由多个形状和尺寸相同的金属线框和金属框之间的连接杆组成，相邻连接杆交替位于金属线框顶边或底边的中心连线上。本发明通过将现有的矩形螺旋线进一步变形为框—杆慢波结构，大大提高了基波耦合阻抗，同时避免了谐波引起的返波振荡，从而更有利于行波管的输出功率和效率的提高，同时可利用微细加工技术实现框—杆慢波结构，可实现行波管的印制型、小型化目标。

Description

一种框—杆慢波结构
技术领域
本发明专利属于微波真空电子技术领域，涉及一种行波管放大器件，尤其涉及一种框—杆慢波电路结构。
背景技术
随着未来电子战和空间技术的飞速发展，毫米波的应用越来越得到重视，而行波管是最重要的毫米波功率源，尽管固体器件发展迅速，在毫米波领域也已取得令人瞩目的进展，但在今后可预见的相当长时期内，行波管仍具有不可替代的地位，是毫米波军事电子装备的最重要的器件。
慢波线是行波管的核心部件，它是行波管中电子注激励微波能量的机构，因此其高频特性直接决定着行波管的性能。但慢波结构与工作频率具有“共度性”，这就使得毫米波段行波管的慢波线尺寸很小，以致利用传统的机械加工工艺已经难以满足其微小尺寸的精度要求，迫使人们必须不断探索新型慢波结构和新型加工技术来满足毫米波段特别是短毫米波段行波管的需求。
矩形螺旋线是新型毫米波行波管慢波结构的一种，如图1所示。矩形螺旋线是由圆横截面的螺旋线慢波结构演变而来的。包括矩形筒形波导体（1）、矩形筒形绝缘介质基底（2）、矩形横截面金属慢波电路（3）和中心真空互作用区（4）；其中矩形筒形绝缘介质基底（2）设于矩形筒形波导体（1）内；矩形横截面螺旋线金属慢波电路（3）设于矩形筒形绝缘介质基底（2）和中心真空互作用区（4）之间；矩形螺旋线金属慢波电路（3）内部所围的中心真空互作用区（4）；矩形螺旋线金属慢波电路（3）由一根金属带沿螺旋方向绕着矩形截面绕行而成的周期螺旋线慢波结构。
在常规行波管中，圆形螺旋线是最常用的慢波线，虽然它具有工作频带宽的优点，但它的热耗散能力差，尺寸随着工作频率的提高越来越小，这使得它的极限工作频率被限制在 V 波段左右，而矩形螺旋线在一定程度上可以弥补圆形螺旋线的这些不足。一方面，矩形螺旋线的加工可以用类似平面螺旋线的微机电（MEMS）工艺技术，即所谓的印制型的微带线制造工艺，极大提高了尺寸的精度，使得短毫米波段甚至THz波段慢波线的制造成为可能；另一方面，矩形螺旋线整体都是沉积在介质基板上的，大大提高了其散热能力。矩形螺旋线还可以与带状电子注相互作用，如图2所示，可以增加电子注宽度来提高总电流大小，而不需增加电子注厚度，使空间电荷效应得以降低，而高频场与电子注的互作用得到增强。散热能力的提高和电流的允许增加导致行波管的输出功率和效率得到提高。如果增大矩形螺旋线的宽高比，它就可以近似成平面结构，为制造平面行波管创造了条件。因此，结合带状电子注的矩形螺旋线行波管是一种很有前途的新型毫米波行波管。
矩形螺旋线是由圆形螺旋线和平面螺旋线演变而来的，因此它兼具两者的优点，既有常规圆螺旋线所特有的宽频带、高增益及低工作电压的优点，又有平面结构可以采用带状电子注与高频场相互作用的特点，还可以采用现代微带线加工技术直接刻蚀介质基板上的金属膜层来实现，因此在紧凑型平面行波管方面有着广阔的应用前景。
但是矩形螺旋线行波管的基波耦合阻抗相对较小，容易引起谐波振荡，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矩形螺旋线慢波结构的耦合阻抗，本发明专利提出一种基于微机械加工制作技术的框—杆慢波结构，能够进一步满足毫米波装备系统在输出功率和效率、重量和小型化方面的需求。
本发明专利所采用的关键技术方案是：
一种框—杆慢波结构，如图3所示，包括矩形筒形波导体（1）、矩形筒形绝缘介质基底（2）、框—杆金属慢波电路（3）和中心真空互作用区（4）；所述矩形筒形波导体（1）、矩形筒形绝缘介质基底（2）、框—杆金属慢波电路（3）和中心真空互作用区（4）的中心轴线重合；所述的矩形筒形绝缘介质基底（2）设于矩形筒形波导体（1）内；所述框—杆金属慢波电路（3）设于矩形筒形绝缘介质基底（2）的内表面上；所述框—杆金属慢波电路（3）由多个形状和尺寸相同的金属线框和金属框之间的连接杆组成；所述连接杆依次交替位于金属线框的顶边和底边的中心连线上，所述的金属线框平面垂直于整个慢波结构的中心轴线。图4为图3所示的框—杆慢波结构的变形，图4 中除了金属线框平面与整个慢波结构的中心轴线不垂直之外，其余结构与图3 所示的框—杆慢波结构完全相同。
如图5和图6所示，本发明提供的框—杆慢波结构的，定义上述框—杆慢波结构的尺寸如下：介质基底（2）的相对介电常数为εr，其外筒矩形横截面的宽度为c，高度为d，金属线框的宽度为a和高度为b，金属带的厚度为h，金属带的宽度为w，纵向周期为p，连接杆长度为l，连接杆宽度和厚度分别为w和h。
上述框—杆慢波结构，包括以下各种形式的变形结构：1）金属线框平面垂直于整个慢波结构的中心轴线；2）金属线框平面不垂直于整个慢波结构的中心轴线；3）绝缘介质基底（2）换为真空互作用区，而中心真空互作用区（4）的材料换为为氮化硼或氧化铍、金刚石，从而实现与空心带状注互作用，进行功率合成，做成多注带状注器件，可大大提高器件的输出功率。
本发明提供的框—杆慢波结构，由于金属慢波电路看起来是一系列金属框，金属框之间是用金属杆依次交错连接，此结构类似于变态螺旋线中的环—杆结构，因此本发明提供的慢波结构被定义为框—杆慢波结构。
本发明提供的框—杆慢波结构，同样采用带状电子束5与波进行互作用（如图2所示）。经三维电磁仿真软件仿真验证（以金属线框平面垂直于整个慢波结构的中心轴线为例），本发明提供的框—杆慢波结构与现有的矩形螺旋线慢波结构相比，在行波管工作区域内具有更高的基波耦合阻抗，可以有效避免谐波振荡，因此在相同的尺寸条件下能够进一步提高行波管的的工增益和输出功率。
附图说明
附图1是现有矩形螺旋线慢波结构的示意图。
附图2是加载带状电子束的矩形螺旋线慢波结构的示意图。
附图3 是本发明提供的一种框—杆慢波结构的立体结构示意图。
附图4 是本发明提供的另一种金属线框平面不垂直于整个慢波结构的中心轴线的框—杆慢波结构的立体结构示意图。
附图5 是本发明提供的框—杆慢波结构的截面尺寸标注图。
附图6 是本发明提供的框—杆慢波结构的二维尺寸标注图。
附图7 是框—杆慢波结构和矩形螺旋线慢波结构的色散特性比较图。
附图8 是框—杆慢波结构和矩形螺旋线慢波结构的耦合阻抗比较图。
图中：1. 矩形筒形波导体，2. 矩形筒形绝缘介质基底，3. 框—杆金属慢波电路，4. 中心真空互作用区，5. 带状电子束。
具体实施方式
本设施方式以与行波管配套工作在50~ 60 GHz波段的框—杆慢波器件为例：包括矩形筒形波导体（1）、矩形筒形绝缘介质基底（2）、框—杆金属慢波电路（3）和中心真空互作用区（4）；所述矩形筒形波导体（1）、矩形筒形绝缘介质基底（2）、框—杆金属慢波电路（3）和中心真空互作用区（4）的中心轴线重合；所述矩形筒形绝缘介质基底（2）设于矩形筒形波导体（1）内；所述框—杆金属慢波电路（3）设于矩形筒形绝缘介质基底（2）的内表面上；所述框—杆金属慢波电路（3）由多个形状和尺寸相同的金属线框和金属框之间的连接杆组成，相邻连接杆交替位于金属线框顶边或底边的中心连线上，所述的金属线框平面垂直于整个慢波结构的中心轴线（如图3所示）。
在确定相邻两段连接杆的长度不变（周期性结构），同时确定上述实施方式的相关尺寸（单位：mm）：a = 0.2，b = 0.4, c = 0.52, d = 0.92, h = 0.01, w = 0.01, p =0.12，l = 0.04和绝缘介质基底的相对介电常数为εr = 4，得到具体的框—杆慢波结构。将这种具体的框—杆慢波结构与具有相同介质层介电常数εr，相同介质外筒的宽度c，高度d，相同的金属带线宽度w，相同的金属带厚度h，相同的金属慢波结构截面宽度a和高度b，相同纵向周期p的现有矩形螺旋线慢波结构利用三维电磁仿真软件进行仿真， 获得他们的色散特性和耦合阻抗，仿真结果如图7和图8 所示。其中曲线8和曲线10分别是本发明提供的框—杆慢波结构的色散曲线、耦合阻抗曲线；曲线9和曲线11分别是现有的矩形螺旋线慢波结构的色散曲线、耦合阻抗曲线。
从图7中曲线8和曲线9的比较可知：本设施方式提供的框—杆慢波结构与矩形螺旋线的工作频带范围相同，色散曲线8比曲线9更加陡峭；
从图8中曲线10和曲线11的比较可知：相比于矩形螺旋线慢波结构，本发明提供的框—杆慢波结构在高频段（慢波结构的工作点）的耦合阻抗更高，输出功率更大从而可以进一步提高行波管的增益和效率。
综合图7和图8可知，在相同结构尺寸和工艺条件下，本发明提供的框—杆慢波结构能够在相同的工作频率下，通过牺牲带宽来获得更高的耦合阻抗，从而获得更高的输出功率工作效率，为研制紧凑型平面行波管奠定基础。

Claims (3)

1.一种框—杆慢波结构，包括矩形筒形波导体(1)、矩形筒形绝缘介质基底(2)、框—杆金属慢波电路(3)和中心真空互作用区(4)；其特征在于:
所述矩形筒形波导体(1)、矩形筒形绝缘介质基底(2)、框—杆金属慢波电路(3)和中心真空互作用区(4)的中心轴线重合；
所述矩形筒形绝缘介质基底(2)设于矩形筒形波导体(1)内；
所述框—杆金属慢波电路(3)设于矩形筒形绝缘介质基底(2)的内表面上；
所述框—杆金属慢波电路(3)由多个形状和尺寸相同的金属线框和金属框之间的连接杆组成；
所述连接杆依次交替位于金属线框的顶边和底边的中心连线上，所述的金属线框平面与整个慢波结构的中心轴线不垂直,且相邻的金属线框与整个慢波结构的中心轴线之间的夹角分别为θ(0°<θ<180°)和180°-θ。
2.根据权利要求1所述一种框—杆慢波结构，其特征在于，所述的金属线框平面与整个慢波结构的中心轴线垂直。
3.根据权利要求1所述一种框—杆慢波结构，其特征在于，所述金属线框之间的连接杆的长度可呈线性递增或线性递减，使整个框—杆慢波结构成为变周期框—杆慢波结构。
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