CN105489458A - 一种平面环型微带慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面环型微带慢波结构，属于微波电真空技术领域，涉及行波管放大器件。包括介质基底(2)和位于介质基底(2)表面的金属线(1)，其特征在于，所述金属线(1)是由多个形状尺寸相同的环形单元顺序相连形成的周期性结构，所述每个环形单元是由上下镜面对称的两个开口环对接而成，相邻两个环形单元在两个开口环的对接处通过微带线连接。本发明与现有的微带慢波结构相比，因其冷带宽更宽所以在相同尺寸下采用本发明结构的真空器件可用于更高工作频段；本发明提供的平面环型微带慢波结构具有宽的横向尺寸，从而能够有效降低对电子枪和聚焦磁场的要求；且具有较高的耦合阻抗，可以较好地与电子注进行互作用，因此是一种具有较大潜力的适用于小型化平面行波管的慢波结构。

Description

一种平面环型微带慢波结构
技术领域
本发明设计属于微波电真空技术领域，涉及行波管放大器件。
背景技术
行波管放大器，是通过电磁场与电子注发生能量交换使高频信号得以放大的微波真空器件，行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。行波管作为一种重要的微波功率源，由于其高功率、高增益、高效率、宽频带和长寿命等优点，在真空电子学领域具有举足轻重的作用，被广泛应用于电子对抗、通信、制导等领域。
现阶段在各领域使用最为广泛的为螺旋线行波管和耦合腔行波管，螺旋线慢波结构是行波管被广泛采用的一种慢波系统。螺旋线慢波结构具有工作带宽宽的优点，但是体积庞大且非常笨重，与固态器件相比，无法满足现代电子技术迫切需求的重量轻、体积小的微波功率源的需求。由于其一般由带料或丝料绕制而成，且需要介质夹持杆支撑，因此功率容量较低，散热能力较差，这是螺旋线慢波结构的主要不足。
除此之外，在工作频段上升到V波段甚至更高时，螺旋线行波管的慢波结构尺寸将变得非常小，以至于传统的加工手段已不能满足其在精度上的要求。利用现代微细加工技术制造小尺寸螺旋线是解决这一问题的出路，然而现代微细加工技术主要适用于二维结构的加工。因此，作为一个三维慢波结构，螺旋线的加工过程是非常繁琐和困难的，而且其加工的一致性与可靠性也得不到保证。
在这种情况下，寻求一种既能够适用于二维微细加工技术又具备螺旋线慢波结构优点的新型平面慢波结构具有非常重要的现实和科学意义。三维环-杆结构慢波系统是由双绕螺旋线演变而成，是一种变态螺旋线。这种结构在同相激励时，纵向磁场抵消，因而慢波线中的主波就只有TM波而不存在TE波。基波场全部集中于TM波，使纵向电场强度增加一倍，大大提高了基波的耦合阻抗，三维环-杆结构慢波系统为全金属结构，从而具有较大的功率容量，散热能力也相对较强，但是具有较强的色散，因此频带比单螺旋线行波管要窄。
微带曲折线慢波结构是一种二维平面慢波结构，该类慢波结构具有工作电压低、频带宽、效率高、体积小、重量轻、造价低和易于加工等优点。同时由于微带曲折线慢波结构可以与固态电路进行良好的匹配，是一种很有潜力的可适用于带状电子注小型化行波管平面慢波结构，在相应的电子系统以及宽带毫米波通讯等领域具有很好的应用前景。
发明内容
本发明在三维的环-杆结构的基础上，提出了一种二维的平面环型微带慢波结构，其具有较宽的工作带宽和较高的耦合阻抗，有效解决了三维的环-杆慢波结构频带窄的问题；与现有的微带慢波结构相比，在相同尺寸下，平面环-杆微带慢波结构可以工作在更高的频段，对电子枪和聚焦磁场的要求也相对较低，因此是一种具有较大潜力的适用于小型化平面行波管的慢波结构。
本发明采用的技术方案是：一种平面环型微带慢波结构，如图1所示，包括介质基底2和位于介质基底2表面的金属线1，所述金属线1是由多个形状尺寸相同的环形单元顺序相连形成的周期性结构，所述每个环形单元是由上下镜面对称的两个开口环对接而成，相邻两个环形单元在两个开口环的对接处通过微带线连接。
所述平面环型微带慢波结构，其中，所述环形单元可以是任何符合慢波结构的形状；
所述平面环型微带慢波结构，其中，所述金属线1为两条，两条金属线1呈上下和左右对称结构，且两条金属线1中对应的环形单元部分重合相连。
所述平面环型微带慢波结构，其中，所述金属线1为两条，两条金属线1呈上下和左右对称结构，且两条金属线1中对应的环形单元部分重合相连。
所述平面环型微带慢波结构，根据慢波结构的作用原理结合本发明的技术方案，定义所述平面环型微带慢波的一个环形单元周期长度为p，则所述周期长度p可以不变或递增或递减或随机变化。
行波管在结构上包括电子枪、慢波电路、集中衰减器、能量耦合器、聚焦系统和收集极等部分。电子枪的作用是形成符合设计要求的电子注。聚焦系统使电子注保持所需形状，保证电子注顺利穿过慢波电路并与微波场发生有效的相互作用，最后由收集极接收电子注。
本发明中在工作过程中，待放大的微波信号经输入能量耦合器进入慢波电路，并沿慢波电路行进。电子注的速度略大于电磁波在平面环型慢波结构中的相速度，在此情况下，电子注与电磁波相互作用，将能量交给电磁波，从而实现信号的放大。
通过利用电磁仿真软件对该结构进行优化设计，可以发现与相同尺寸的U形微带慢波结构进行了对比具有以下优点：
(1)本发明提出的平面环型慢波结构因其冷带宽更宽所以在相同尺寸下，可以工作在更高的频段，同时也降低了对于电子枪和聚焦磁场的要求。根据渡越效应，工作在更高频段就需要横向尺寸更小，因而电子注就要更小，电流密度反而更大，电流密度大也不利于聚焦，这样大大提高对电子枪和聚焦磁场的要求。而本发明可以有效解决所述问题。
(2)本发明提出的平面环型慢波结构具有更平坦的色散曲线，从而使行波管具有更宽的工作带宽，适用于电真空器件的宽频化设计。
(3)本发明提出的平面环型慢波结构的耦合阻抗曲线十分平坦，说明各个频点的电磁波与电子注的的互作用强度基本相同，从而使得采用该慢波结构的真空器件在工作频带内的增益波动与微带慢波结构相比更小。
附图说明
图1是本发明提供的一种平面环型慢波结构的结构示意图。
图2是本发明提供的平面环型慢波结构的尺寸参数示意图。
图3是本发明提供的传统的三维环-杆结构转化为平面环型微带慢波结构的示意图。
图4是本发明提供的平面环型慢波结构与U形微带慢波结构的色散曲线对比示意图。
图5是本发明提供的平面环型微带慢波结构与U形微带慢波结构的耦合阻抗对比示意图。
图6是本发明提供的平面环型微带慢波结构的几种变形示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。
实施例：
一种平面环型慢波结构，如图1所示，该图是本发明的一种具体的实施方式结构示意图，包括介质基底2和位于介质基底2表面的金属线1，所述金属线1是由多个形状尺寸相同的环形单元顺序相连形成的周期性结构，所述每个环形单元是由上下镜面对称的两个开口环对接而成，相邻两个环形单元在两个开口环的对接处通过微带线连接。
如图2所示，定义上述平面环型微带慢波结构的尺寸如下：介质基底2的介电常数为ε，介质基底厚度为h，金属线1的线宽为w，厚度为t，其中的金属微带环横向长度为b，微带直线部分长度为l，单个周期的环型结构的周期长度为p。
具体实施方案的结构的尺寸如下：介质基底2的介电常数为介质基底2的相对介电常数为ε＝9.8，介质基底厚度为h＝0.14mm，介质基底横向长度为a＝1.92mm，金属线1的线宽为w＝0.05mm，厚度为t＝0.02mm，其中的金属微带环横向长度为b＝1.22mm，金属微带环直线部分长度为l＝0.0385mm，单个周期的环型结构的周期长度为p＝0.38mm，得到具体的环型微带慢波结构。
如图3所示，通过传统的三维环-杆结构转化为平面环型慢波结构，电磁波在这类结构中行进的相速度将小于光速，因此金属线1与介质基底2构成平面环型微带慢波结构。
利用三维电磁仿真软件，进行仿真优化，并与相同尺寸的U形微带慢波结构进行了对比，获得了二者的色散特性和耦合阻抗特性曲线，仿真结果如图4和图5所示。
如图4所示，与常规的U形微带慢波结构相比，在相同尺寸下，其在低频端的耦合阻抗相对较低，但是仍然大于5Ω，因此本发明提供的平面环型微带慢波结构可以较好地与电子注进行互作用。
如图5所示，与常规的U形微带相比，在相同结构结构尺寸的情况下，本发明提供的宽带平面环型微带慢波结构具有更为平坦的色散曲线，这使得电子注可以在更宽的频带范围内与电磁波同步，从而使得采用该慢波结构的真空器件具有更宽的带宽；同时，平面环型微带慢波结构的冷带宽约为常规U形微带慢波结构的两倍，因此其可以工作在更更高的频带内。与常规的U形及V形微带慢波结构相比，在工作在相同频带的情况下，本发明提供的平面环型微带慢波结构具有宽的横向尺寸，从而可以采用具有较大横截面积的带状电子注来进行注波互作用，这样可以降低电子注的电流密度，减小对电子枪和聚焦磁场的要求，是一种具有较大潜力的微带慢波结构，为平面行波管的实用化提供了可行的方案。
如图6所示上述平面环型微带慢波结构，包括以下各种形式的变形结构，例如环状形状可以是由上下镜面对称的矩形、圆形、菱形或椭圆形的弯折曲线对接构成或由多环紧密相连的“蜂窝状”结构构成，相邻两个环形单元在对接处通过微带线顺序连接；所述环形单元在平面可以单行规则排列，相邻两个环形单元在对接处通过微带线连接。所述环形单元在平面可以双行规则排列或多行规则排列，任意相邻两行弯折曲线呈上下和左右对称结构，且两条金属线中对应的环形单元部分重合相连。
以上所述为几个优选实例，并不用于以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种平面环型微带慢波结构，包括介质基底(2)和位于介质基底(2)表面的金属线(1)，其特征在于，所述金属线(1)是由多个形状、尺寸相同的环形单元顺序相连形成的周期性结构，所述每个环形单元是由上下镜面对称的两个开口环对接而成，相邻两个环形单元在两个开口环的对接处通过微带线连接。
2.根据权利要求1所述的平面环型微带慢波结构，其特征在于，所述环形单元为多环紧密相连的“蜂窝状”结构。
3.根据权利要求1或2所述的平面环型微带慢波结构，其特征在于，所述金属线(1)为两条，两条金属线(1)呈上下和左右对称结构，且两条金属线(1)中对应的环形单元部分重合相连。
4.根据权利要求1或2所述的平面环型微带慢波结构，其特征在于，所述金属线(1)为多条，多条金属线(1)呈上下和左右对称结构，且任意两条相邻的金属线(1)中对应的环形单元部分重合相连。
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