CN106098509A - 一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导，包括沿Z轴方向依次连通的至少2个最短波导周期结构和输入输出波导。扭波导合并式准平面脊波导折叠波导通过若干U形弯波导、扭波导段和直波导构成。在应用在行波管等直线电磁波真空器件中时，与传统的折叠波导相比，本发明克服了电子束通过传统的慢波结构时存在的由于U形弯波导带来的180度相差，可以更加有利于展宽电磁波源的工作带宽。这种准平面结构使我们可以将所有的电磁波结构都安排在底座上，采用普通数控铣床一次完成，以确保加工精度和降低加工成本。该扭波导合并式准平面脊波导折叠波导可以实现各种波导、单脊波导或双脊波导的紧凑型延迟线，特别是紧凑型行波管放大器的慢波结构等。

Description

一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导
技术领域
本发明涉及一种电磁波传输线。具体地说，是涉及一种用于信号延迟或电磁波源的慢波结构的紧凑型扭波导合并式准平面脊波导折叠波导。
背景技术
折叠传输线的第一个重要应用是作为信号延迟线， 在雷达等系统中用于信号延迟。折叠传输线的第二个重要应用是在行波管放大器中作为慢波结构使用。这时，电子束沿一定直线电子通道传播，而电磁波则沿着弯折的传输线传播。 虽然在弯折传输线内传播的电磁波的相速很快， 可以接近于光速， 甚至大于光速， 但在该直线电子通道中， 电子束感受到的电磁波的相速可以远远低于光速。采用准折叠波导构成的行波管的电子束能量可以大大降低，有利于器件的小型化。
传统的折叠传输线一般采用传输线连续弯曲而成。 比如波导延迟线将波导弯曲叠放。由于过小的弯曲曲率半径将导致信号的反射，这种延迟线的体积通常都比较大。折叠波导行波管放大器中的普通的慢波结构采用矩形波导段与U形波导端分别交替连接构成，同样有体积大的问题。普通的折叠波导行波管存在的另一个问题是带宽问题。这种行波管中采用的折叠波导一般为二维结构，波导在一个过Z轴的平面，比如XZ平面内连续弯曲。在这种折叠波导中， 沿Z轴传播的电子在通过一个周期的折叠波导时，有两个与电磁波相互作用的区域。 在这两个互作用区域中，传输的电子束感受到的电磁波的相位差除电磁波沿该折叠波导的弯折途径传输所决定的相位差外，还包括由于传输线的180度弯折波导致的电磁场方向反向所决定的180度的所谓“形状相位差”。这个形状相位差的存在，使得沿Z轴方向传播的电子束与沿折叠波导传播的电磁波在沿Z方向的速度同步条件下，在同一周期中的两个互作用区域中，电子束所受到的沿Z轴方向的作用力会切换方向，导致电磁波从电子束获得的能量相互抵消。为了解决这个问题，电子束沿Z方向的速度与电磁波沿Z方向的平均相速必须失配。由此带来了对折叠波导行波管的相对带宽的严重限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种没有形状相位差的扭波导合并式准平面脊波导折叠波导。这种方案具有结构简单、加工方便、工作频率宽, 结构紧凑等特点。
为了实现上述目的，我们的方案为，一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导。所述扭波导合并式准平面脊波导折叠波导包括沿Z轴方向依次连通并重复的至少2个最短波导周期结构，在扭波导合并式准平面脊波导折叠波导两端设置有输入输出波导。
存在一与Z轴平行的直线AB， 所述直线AB与所述任意一个最短波导周期结构的交集为两条互不直接相连的连续线段CD和线段EF。
存在至少一根平行于Z轴的直线电子束通道；所述直线电子束通道与所述直线AB重合；所述线段CD通过所述最短波导周期结构中电磁波的电场强度的最大幅值点。
所述任意最短波导周期结构的两端面都与YZ平面平行； 所述最短波导周期结构的两端面的形状为矩形波导、单脊矩形波导或双脊矩形波导；所述任一最短波导周期结构的两端面的宽边都与Y轴方向平行。
当电磁波的频率接近所述折叠波导的工作模式的截止频率时，Z轴与所述任意一个最短波导周期结构的两个交集处的电磁波的电场的方向相同。
本发明的最短波导周期结构有2种结构，第一种结构为：相邻2个最短波导周期结构直接连接，每一个最短波导周期结构至少包括2个分别位于Y轴两侧的U形弯波导，U形弯波导的凹口面向Y轴，同一最短波导周期结构内的2个U形弯波导采用波导段结构连接，一个U形弯波导的一端与另一个U形弯波导的一端之间采用波导段结构连接，每一个所述波导段结构包括一个位于Y轴上的波导段和2个分别位于波导段两侧的扭波导段，扭波导段位于U形弯波导的端部与波导段的端面之间的间隙处。
第二种结构为：相邻2个最短波导周期结构直接连接；每一个最短波导周期结构至少包括2个分别位于Y轴两侧的U形弯波导，U形弯波导的凹口面向Y轴，同一最短波导周期结构内的2个U形弯波导采用波导段结构连接，一个U形弯波导的一端与另一个U形弯波导的一端之间采用波导段结构连接，每一个所述波导段结构包括一个位于Y轴上的波导段和1个位于波导段一端的扭波导段；同一最短波导周期结构内，Y轴一侧的U形弯波导的一端部直接与波导段连接，Y轴另一侧的U形弯波导的一端部直接与扭波导段连接，且整个扭波导合并式准平面脊波导折叠波导中，相邻的2个扭波导段分别位于Y轴两侧；所述扭波导段由2个L形波导段叠合连接在一起组成，一个L形波导段相比另一个L形波导段呈水平翻转状态。
所述所有U形弯波导中至少一个的横截面的至少一个形状参数随该扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的中心线的相对变化大于10%；所有波导段中至少一个的横截面的至少一个形状参数随该扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的中心线的相对变化大于10%。
在每一个所述最短波导周期结构中，相邻的两个扭波导段互相不直接相连；所述U形弯波导为H面U形弯波导。
所述波导段为矩形波导。
所述扭波导段为L形波导段。
直线电子束通道贯穿所有波导段。
所述U形弯波导为E面U形弯波导。
所述任意最短波导周期结构的两端面都与YZ平面平行； 所述最短波导周期结构的两端面的形状为矩形；所述任一最短波导周期结构的两端面的宽边都与Y轴方向平行；所述扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的上表面齐平；这里的所述扭波导合并式准平面脊波导折叠波导，包括所有U形弯波导、所有波导段，和所有扭波导段。
为了便于加工，所述扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的上表面齐平；这里的所述扭波导合并式准平面脊波导折叠波导， 包括所有U形弯波导、所有波导段，和所有扭波导段。这种准平面结构使我们可以将所有的电磁波结构都安排在底座上，采用普通数控铣床一次完成，以确保加工精度和降低加工成本。
本发明提出了采用矩形波导、单脊波导、双脊波导或其它形状的波导的各种周期性扭波导合并式准平面脊波导折叠波导。在已有的折叠波导行波管的传统的扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的基础上，很好地解决了形状相位差带来的电子束与电磁波之间的宽频带同步问题。这种准平面结构使我们可以将所有的电磁波结构都安排在底座上，采用普通数控铣床一次完成，以确保加工精度和降低加工成本。该发明也可以用作紧凑的信号延迟线。采用该扭波导合并式准平面脊波导折叠波导作为行波管的互作用波导，可望大大降低高频微波、毫米波，甚至太赫兹器件所需的电子束能量并展宽其工作带宽。
附图说明
图1为本发明实施实例1的示意图；
图2为本发明实施实例1的仰视示意图；
图3为本发明实施实例1的最短波导周期结构示意图；
图4为本发明实施实例1的扭波导示意图；
图5为本发明实施实例2的最短波导周期结构示意图；
附图中标号对应名称：1-输入输出波导，2-波导段，4-U形弯波导， 5-扭波导段， 7-直线电子束通道。
实施实例1
如图1-4所示。
一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导，包括沿Z轴方向依次连通并重复的至少5个最短波导周期结构和输入输出波导1。相邻2个最短波导周期结构直接连接，每一个最短波导周期结构至少包括2个分别位于Y轴两侧的U形弯波导4，U形弯波导的凹口面向Y轴，同一最短波导周期结构内的2个U形弯波导4采用波导段结构连接，一个U形弯波导4的一端与另一个U形弯波导4的一端之间采用波导段结构连接，每一个所述波导段结构包括一个位于Y轴上的波导段2和2个分别位于波导段2两侧的扭波导段5，扭波导段5位于U形弯波导4的端部与波导段2的端面之间的间隙处。
存在一与Z轴平行的直线AB， 所述直线AB与所述任意一个最短波导周期结构的交集为两条互不直接相连的连续线段CD和线段EF。
存在一根平行于Z轴的直线电子束通道7；所述直线电子束通道7与所述直线AB重合；所述线段CD通过所述最短波导周期结构中电磁波的电场强度的最大幅值点。
所述任意最短波导周期结构的两端面都与YZ平面平行； 所述最短波导周期结构的两端面的形状为矩形波导；所述任一最短波导周期结构的两端面的宽边都与Y轴方向平行。
当电磁波的频率接近所述折叠波导的工作模式的截止频率时，所述直线AB与所述任意两个沿Z方向相邻的最短波导周期结构的交集处的电磁波的相位差趋近于零。
每一个最短波导周期结构包括2个U形弯波导4和2个波导段2。每一个最短波导周期结构还包括4个扭波导段5。
所述2个U形弯波导4的高度和2个波导段2的宽度该U形弯波导4扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的中心线的相对变化大于10%（图中未示出）。
当电磁波的频率接近所述折叠波导的工作模式的截止频率时，Z轴与所述任意一个最短波导周期结构的两个交集处的电磁波的电场的方向相同。
在每一个所述最短波导周期结构中，相邻的两个扭波导互相不直接相连；所述U形弯波导4为H面U形弯波导4。
所述扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的上表面齐平； 这里的所述扭波导合并式准平面脊波导折叠波导， 包括所有U形弯波导4、所有波导段2，和所有扭波导段5。
实施实例2
如图5所示。
与实施实例1相比，不同之处仅在于：
这里的所有U形弯波导4为E面U形弯波导4。在每一个最短波导周期结构中，每两个扭波导互相直接相连构成一组。两组扭波导之间互不直接相连，具体的，相邻2个最短波导周期结构直接连接；每一个最短波导周期结构至少包括2个分别位于Y轴两侧的U形弯波导4，U形弯波导的凹口面向Y轴，同一最短波导周期结构内的2个U形弯波导4采用波导段结构连接，一个U形弯波导4的一端与另一个U形弯波导4的一端之间采用波导段结构连接，每一个所述波导段结构包括一个位于Y轴上的波导段2和1个位于波导段2一端的扭波导段5；同一最短波导周期结构内，Y轴一侧的U形弯波导4的一端部直接与波导段2连接，Y轴另一侧的U形弯波导4的一端部直接与扭波导段5连接，且整个扭波导合并式准平面脊波导折叠波导中，相邻的2个扭波导段5分别位于Y轴两侧；所述扭波导段5由2个L形波导段叠合连接在一起组成，一个L形波导段相比另一个L形波导段呈水平翻转状态。
以上我们给出了扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的几个实施实例。在这些实例中，为了绘制示意图的方便，扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的周期数为3-6个。实际上，在电磁波源，特别是在行波管中，扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的周期数可以多达几十个。同时，在以上的实施实例中，为了加工这些扭波导合并式准平面脊波导折叠波导，需要采取线切割、数数控车铣等加工方法，许多内角需要倒角处理。这些倒角会对扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的性能产生影响，在建模计算时必须加以考虑。

Claims (8)

1.一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导，其特征在于，设置X轴、Y轴和Z轴构成直角坐标系并符合右手定则；O点为坐标系原点；所述扭波导合并式准平面脊波导折叠波导包括沿Z轴方向依次连通并重复的至少2个最短波导周期结构，最短波导周期指在Z方向长度最短的波导周期；相邻2个最短波导周期结构直接连接；每一个最短波导周期结构至少包括2个分别位于Y轴两侧的U形弯波导（4）；U形弯波导的凹口面向Y轴；同一最短波导周期结构内的2个U形弯波导（4）采用波导段结构连接；一个U形弯波导（4）的一端与另一个U形弯波导（4）的一端之间采用波导段结构连接；每一个所述波导段结构包括一个位于Y轴上的波导段（2）和1个位于波导段（2）一端的扭波导段（5）；同一最短波导周期结构内，Y轴一侧的U形弯波导（4）的一端部直接与波导段（2）连接；Y轴另一侧的U形弯波导（4）的一端部直接与扭波导段（5）连接；且整个扭波导合并式准平面脊波导折叠波导中，相邻的2个扭波导段（5）分别位于Y轴两侧；所述扭波导段（5）由2个L形波导段叠合连接在一起组成，一个L形波导段相比另一个L形波导段呈水平翻转状态；所述任意最短波导周期结构的两端面都与YZ平面平行；所述最短波导周期结构的两端面的形状为单脊矩形波导或双脊矩形波导；所述任一最短波导周期结构的两端面的宽边都与Y轴方向平行。
2.根据权利要求1所述的一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导， 其特征在于，存在一与Z轴平行的直线AB， 所述直线AB与所述任意一个最短波导周期结构的交集为两条互不直接相连的连续线段CD和线段EF。
3.根据权利要求2所述的一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导， 其特征在于，存在至少一根平行于Z轴的直线电子束通道（7）；所述直线电子束通道（7）与所述直线AB重合；所述线段CD和EF通过所述最短波导周期结构中电磁波的电场强度的最大幅值点。
4.根据权利要求2所述的一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导，当电磁波的频率接近所述折叠波导的工作模式的截止频率时，所述直线AB与所述任意两个沿Z方向相邻的最短波导周期结构的交集处的电磁波的相位差趋近于零。
5.根据权利要求1所述的一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导， 其特征在于，所述所有U形弯波导（4）中至少一个的横截面的至少一个形状参数随该扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的中心线的相对变化大于10%；所有波导段（2）中至少一个的横截面的至少一个形状参数随该扭波导合并式准平面脊波导折叠波导的中心线的相对变化大于10%。
6.根据权利要求1所述的一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导， 其特征在于，所述波导段为矩形波导。
7.根据权利要求3所述的一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导， 其特征在于，直线电子束通道（7）贯穿所有波导段（2）。
8.根据权利要求1所述的一种扭波导合并式准平面脊波导折叠波导， 其特征在于，所述U形弯波导（4）为E面U形弯波导（4）。
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