CN105513928A - 一种平面槽线的慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面槽线的慢波结构，属于微波电真空技术领域，涉及行波管放大器件。本发明包括介质基底(2)和位于介质基底(2)表面的金属层(1)，所述金属层(1)上刻一条槽线，所述槽线的形状为周期性弯折曲线。本发明能够避免由于扰动而不受约束的电子直接打到介质基底上，从而有效解决微带慢波结构的电子累积的问题；采用本发明结构的真空器件具有更低的工作电压同时其色散曲线较为平坦，从而使得电子注在更宽的频带内能够与电磁波实现同步，进而实现真空器件的宽频化设计；采用本发明结构的真空器件耦合阻抗曲线十分平坦，说明其在工作频带内的增益波动相对于微带慢波结构相比更小。因此本发明在小型化平面行波管的慢波结构具有较大潜力和市场价值。

Description

一种平面槽线的慢波结构

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

电真空器件作为一类重要的微波，毫米波源，被广泛应用在雷达、制导、通信、微波遥感等领域，被誉为武器装备的“心脏”，其性能直接决定着整体装备的水平。随着航空航天工程和电子技术水平的飞速发展，迫切需要结构和加工工艺相对简单、宽频带、大功率、小体积、低成本的功率源。如何在保证电真空器件的高功率，高效率，高频带，宽带宽的优势的同时，实现小型化，低电压，从而更好地适应科技发展的需求，是电真空器件一个重要的发展方向。

随着科学技术的不断发展，传统的电真空器件越来越多地受到了固态器件的挑战，固态器件体积小、重量轻，但是功率小、带宽窄，无法满足装备系统对功率和带宽的要求。随着集成电路技术的发展，作为信号处理电路中应用的小功率行波管已经被固体器件代替，然而需要大功率技术的地方，如电子战系统，卫星通信转发器或者卫星广播发射机，行波管可以提供独到的好处，目前已发展为国民经济和国防建设的关键基础性器件。

1943年，物理学家R.康夫纳在英国制出世界上第一只行波管，1947年美国物理学家J.皮尔斯发表对行波管的理论分析。现代行波管已成为雷达、电子对抗、中继通信、卫星通信、电视直播卫星、导航、遥感、遥控、遥测等电子设备的重要微波电子器件。行波管的特点是频带宽、增益高、动态范围大和噪声低。行波管频带宽度可达100％以上，增益在25～70分贝范围内，低噪声行波管的噪声系数最低可达1～2分贝。

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。待放大的微波信号经输入能量耦合器进入慢波电路，在行波管中，电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用,在长达6～40个波长的慢波电路中电子注连续不断地把动能交给微波信号场，从而使信号得到放大。

平面行波管是结合真空器件和固态器件而提出的一种具有宽频带、高效率、重量轻、体积小的真空器件。但是这类平面慢波结构存在着一些关键问题制约着以这类慢波结构为基础的小型化行波管的发展，其中之一就是介质底板上的电子累积问题，电真空器件的流通率在实际当中不可能达到100％，也就是说在真空器件工作时，总会有电子打到慢波结构上，传统的器件如螺旋线行波管，虽然体积庞大且非常笨重，但由于电子一般都是直接打到具有良好的导电性能的金属螺旋线上，因此电子可以直接被导走。而目前的平面慢波结构都是在介质基底上采用印制电路板的方式加工的，在实际的注波互作用过程中当电子打到介质基板上的时候，由于介质的不导电性，电子将在介质基板上积累，引起电位下降，从而改变电子注的聚焦情况，此过程不但会毁坏介质基板，影响慢波结构的性能，而且在严重的情况下会导致行波管无法工作。

发明内容

本发明在于提供了一种平面槽线慢波结构，采用带状电子注与电磁波进行互作用，其具有较宽的工作带宽和较低的工作电压，且能够避免由于扰动而不受约束的电子直接打到介质基片上，从而有效解决微带慢波结构的电子累积的问题，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。

本发明是通过以下技术方案实现上述目的：

本发明包括介质基底2和位于介质基底2表面的金属层1，所述金属层1上刻一条槽线，其特征在于，所述槽线的形状为周期性弯折曲线；

上述窄槽可以为N形、正弦曲线、V形等周期性结构；

根据周期性慢波结构的作用原理结合本发明的技术方案，定义所述槽线的一个单元周期长度为p，则所述周期长度p可以不变或递增或递减或随机变化；

本发明在工作过程中，在介质基底2的上面金属层1上刻一条窄槽形成慢波结构，槽线中电磁场主要集中在槽口附近的介质基底2，带状电子注在金属层1上方通过，与在慢波结构中传播的电磁波产生相互作用，将能量交给电磁波，从而实现信号的放大；而微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线。本发明中，所述结构的金属层1相对于介质基底2上表面具有一定厚度，故形成了具有避免电子直接打到介质基底2上的平面槽线慢波结构。

通过利用电磁仿真软件对该结构进行优化设计，可以发现，与相同尺寸的常规微带慢波结构相比具有以下优点：

(1)本发明提出的平面槽线慢波结构在金属层的保护下，电子几乎只会落到平面槽线慢波结构的金属层上，有效避免电子累积的问题；

(2)本发明提出的平面槽线慢波结构具有更低的归一化相速度，更平坦的色散曲线，从而使得采用该结构的真空器件具有更低的工作电压，且电子注在更宽的频带内能够与电磁波实现同步，进而实现真空器件的宽频化设计；

(3)本发明提出的平面槽线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是本发明平面槽线慢波结构一种具体实施方式的结构示意图。

图2是单周期平面槽线慢波结构的尺寸示意图。

图3是平面槽线慢波结构和微带慢波结构对比示意图。

图4是本发明提供的平面槽线慢波结构避免电子直接打上介质基底造成电子累积问题的示意图。

图5是本发明提供的槽线慢波结构与同尺寸的N形微带慢波结构的色散曲线对比图

图6是本发明提供的槽线慢波结构与同尺寸的N形微带慢波结构的耦合阻抗曲线对比图。

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：

一种共面波导慢波结构，如图1所示N形槽线慢波结构，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表面的金属层1，所述金属层1上刻一条槽线，所述槽线的形状为周期性弯折曲线。

如图2所示，定义上述槽线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，横向长度为a，周期长度为p，槽线宽度为w，微带厚度为t，槽线直线部分长度为b。具体实施方案的结构的尺寸如下(单位：mm)：a＝1.4,b＝0.5,p＝0.28,w＝0.05,t＝0.05,h＝0.4。

如图3所示，本发明中，在介质基底2的上面金属层1上刻一条窄槽，槽线中电磁场主要集中在槽口附近的介质基底2中；而微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线。金属层1相对于介质基底2上表面具有一定厚度，故形成了具有避免电子直接打到介质基底2上的平面槽线慢波结构。

如图4所示是通过镀金属层1从而避免了电子在介质基底2上的累积。由于电子在落到慢波结构的过程中既有横向速度，也有纵向速度，其横纵速度比一般小于1:15，而金属层1上只有一条连续的周期性变化的窄槽，因此金属层1满足了一定厚度的情况下，电子在落到介质基底2之前就已经打在金属层1上，从而避免了电子在介质基底2上的累积。与其他平面微带慢波结构相比，本发明提供的平面槽线慢波结构为平面行波管的实用化提供可行的方案。

利用三维电磁仿真软件对本发明提供的N形弯曲槽线慢波线进行仿真优化计算，得到了这一具体实施方案的高频特性参数，并且与相同尺寸的N形微带慢波结构进行了对比。

图5是N形槽线慢波结构与N形微带慢波结构的色散曲线对比图，可以看出，槽线慢波结构在工作带宽内(Ka波段)具有更低的归一化相速度，从而使得采用该结构的真空器件具有更低的工作电压，同时其色散曲线较为平坦，从而使得电子注在更宽的频带内能够与电磁波实现同步，进而实现真空器件的宽频化设计。

图6是N形槽线慢波结构与N形微带慢波结构的耦合曲线对比图，可以看出，槽线慢波结构的耦合阻抗低于微带慢波结构，但是其在工作频带内(Ka波段)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。

Claims (6)

1.一种平面槽线的慢波结构，包括介质基底(2)和位于介质基底(2)表面的金属层(1)，所述金属层(1)上刻一条槽线，其特征在于，所述槽线的形状为周期性弯折曲线。

2.根据权利要求1所述平面槽线的慢波结构，其特征在于，所述槽线的形状为N形、V形或正弦曲线形周期性弯折曲线。

3.根据权利要求1所述平面槽线的慢波结构，其特征在于，定义所述槽线的一个单元周期长度为p，所述周期长度p不变。

4.根据权利要求1所述平面槽线的慢波结构，其特征在于，定义所述槽线的一个单元周期长度为p，所述周期长度p递增。

5.根据权利要求1所述平面槽线的慢波结构，其特征在于，定义所述槽线的一个单元周期长度为p，所述周期长度p递减。

6.根据权利要求1所述平面槽线的慢波结构，其特征在于，定义所述槽线的一个单元周期长度为p，所述周期长度p随机变化。