CN106128911A - 一种用于行波管的矩形慢波线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于行波管的矩形慢波线，将矩形脊波导作为矩形屏蔽筒，并在此基础上，加入n个或n+1个或n‑1个外方内圆的金属矩形环以及两块金属平板。金属矩形环的圆心与矩形脊波导的中心轴线重合，并沿轴向周期性分布，金属矩形环的内圆部分，则构成行波管的电子注通道；在金属矩形环与矩形屏蔽筒窄边之间，有两块平行于矩形屏蔽筒宽边的金属平板将金属矩形环和外屏蔽筒连接在一起。这样构成一种全金属的慢波线，直接与矩形屏蔽筒连接，热传导性大为改善，耦合阻抗更高，提高了功率容量。同时由于采用了脊加载结构，带宽也较宽。同时，加工简单，整体性好，加工精度高，装配简单并容易保证精度，散热好。

Description

一种用于行波管的矩形慢波线
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，涉及一种行波管的注-波互作用结构：矩形慢波线。
背景技术
行波管是真空微波电子学领域内应用最为广泛的一类微波功率放大器件，具有功率大、效率高、增益高、频带宽和寿命长等特点，广泛应用于雷达、制导、干扰、通信、微波遥感、辐射测量等领域，其性能直接决定着装备的水平。慢波线(慢波结构)作为注—波互作用的核心部件，其性能优劣直接决定了行波管的技术水平。
螺旋线及其变态和耦合腔一直是行波管中最广泛采用的两大类慢波结构。螺旋线慢波结构虽然具有频带宽的优点，但其功率容量受到螺旋线散热能力的限制而相对较小；耦合腔慢波结构虽然具有比螺旋线高一个数量级的功率电平，由于带边振荡的影响，其带宽较窄。
另外，随着行波管向毫米波及更高频段发展，慢波结构器件的尺寸将变得非常小，传统的螺旋线和耦合腔将面临精密加工以及装配的巨大困难和挑战。因此，探求新型的能工作在毫米波段，具有比耦合腔更宽频带和比螺旋线更高功率容量的慢波结构是行波管发展的主要方向之一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种用于行波管的矩形慢波线，以提高耦合阻抗、功率容量和带宽，同时，便于进行精密加工和装配。
为实现上述发明目的，本发明用于行波管的矩形慢波线，包括：
矩形屏蔽筒，由一个矩形脊波导构成，其上下宽边的内长度为W，左右窄边的内长度为H，壁厚为D，W可以大于或者等于H；两个对称分布的脊位于上下宽边中心，脊宽为B，脊高度为h，脊的长度与矩形脊波导的长度相等，为L；
其特征在于，还包括：
多个尺寸完全相同的金属矩形环，沿纵向(矩形屏蔽筒的长度方向)周期性排列在矩形屏蔽筒中轴线上，每个金属矩形环外方内圆，内圆半径为r，外方形宽度为A,金属矩形环厚度为S，金属矩形环的排列周期为P；
金属矩形环的内圆部分，则构成行波管的电子注通道；
金属矩形环的内圆半径r、外正方形宽度A、金属矩形环厚度S满足：2r<A<H-2h,0<r<0.5A,0<S<P；金属脊宽度B、高度h满足：0<B≤W,0≤h<0.5(H-A)；周期排列的金属矩形环总长度与矩形屏蔽筒长度L相等，L应满足L＝nP(n个金属矩形环)或L＝nP+S(n+1个金属矩形环)，或L＝nP-S(n-1个金属矩形环)；
两块金属平板，分别位于金属矩形环与矩形屏蔽筒两个窄边之间，并平行于矩形屏蔽筒宽边，两块金属平板将金属矩形环和矩形屏蔽筒窄边连接在一起，金属平板的厚度为T,纵向长度为L。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明用于行波管的矩形慢波线，将矩形脊波导作为矩形屏蔽筒，并在此基础上，加入n个或n+1或n-1个外方内圆的金属矩形环以及两块金属平板。矩形脊波导由矩形波导上下宽边中间处加载金属脊构成，该矩形脊波导作为慢波结构的外屏蔽筒，n个或n+1或n-1个金属矩形环的圆心与矩形脊波导的中心轴线重合，金属矩形环沿轴向周期性分布，金属矩形环的内圆部分，则构成行波管的电子注通道；在金属矩形环与矩形屏蔽筒窄边之间，有两块平行于矩形屏蔽筒宽边的金属平板将金属矩形环和外屏蔽筒连接在一起。这样本发明用于行波管的矩形慢波线是一种全金属的慢波线，完全不用介质支撑杆来固定金属矩形环，金属平板直接与矩形屏蔽筒连接，因而热传导性大为改善，耦合阻抗更高，相比螺旋线行波管明显提高了功率容量。同时由于采用了脊加载结构，带宽也较宽。且该矩形结构在毫米波频段，在去掉矩形脊波导上下宽边(包括脊)后的部分即金属矩形环、两块金属平板以及矩形屏蔽筒窄边可直接用电火花线切割整体加工，然后将上下宽边(包括脊)与其焊接即成，加工简单，整体性好，加工精度高，装配简单并容易保证精度，散热好。
附图说明
图1是本发明用于行波管的矩形慢波线一种具体实施方式结构图；
图2是图1所示的矩形慢波线的纵剖面图；
图3是图1所示的矩形慢波线的横截面图；
图4是图1所示的矩形慢波线的加工示意图；
图5是本发明用于行波管的矩形慢波线的耦合阻抗曲线图；
图6是本发明用于行波管的矩形慢波线的色散曲线图。
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。
矩形慢波线(慢波结构)如2015年12月02日授权公告的，公告号为CN103632905B的梯形线结构慢波线，由于是一种全金属结构慢波线，散热性能好，功率容量大，加之其结构整体一致性好，加工和装配精度更容易得到保证，因此在毫米波行波管中得到了广泛的应用。
本发明基于矩形慢波线的上述优点，本发明提供了一种用于行波管的矩形慢波线(矩形慢波结构)，能够比螺旋线和耦合腔在毫米波段更易于加工，耦合阻抗和功率容量比螺旋线高，通带比耦合腔宽。
图1是本发明用于行波管的矩形慢波线一种具体实施方式结构图(n+1个金属矩形环的情况)。
在本实施例中，如图1所示，本发明用于行波管的矩形慢波线包括矩形屏蔽筒1、多个尺寸完全相同的金属矩形环2以及两块金属平板3，由矩形屏蔽筒1(矩形脊波导)中心放置多个纵向周期性排布的金属矩形环2，金属矩形环2与矩形屏蔽筒1(矩形脊波导)之间由平行于矩形脊波导宽边的两个金属平板3支撑连接而形成。金属矩形环2的内圆构成电子注通道。
本发明用于行波管的矩形慢波线的尺寸参数如图2与图3所示，矩形屏蔽筒1(矩形脊波导)内尺寸为：宽边长度为W，窄边长度为H，波导壁厚为D，慢波结构纵向单周期长度为P。矩形脊波导上下宽边中心有脊，脊宽为B，脊高度为h。金属矩形环2内圆半径为r，外方形宽度为A，金属矩形环2厚度为S。金属平板3的厚度为T，纵向长度为L。在本实施例中，如图2所示，纵向长度为L＝nP+S，即为n+1个金属矩形环；如果去掉最后一个金属矩形环，长度减小相应的厚度，则纵向长度为L＝nP；如果再去掉第一个金属矩形环,则纵向长度为L＝nP-S。
本发明用于行波管的矩形慢波线在加工时，首先对除掉矩形屏蔽筒1(矩形脊波导)上下宽边(包括脊)101后的剩余部分即由矩形屏蔽筒1左右窄边102、多个金属矩形环2、两块金属平板3组成的部分，如图4(a)所示，直接用电火花线切割在纵向和垂直两个方向上整体加工，然后将矩形屏蔽筒1(矩形脊波导)上下宽边(包括脊)101，如图4(b)，与其即图4(a)所示的剩余部分焊接而成，加工简单，整体性好，加工精度高，装配简单并容易保证精度，同时，通过两块金属平板3进行散热，散热效果大大提高。
在本实施例中，本发明用于行波管的矩形慢波线的具体结构尺寸为(单位:mm):r＝1，A＝2.5，S＝0.26615，W＝4.75，H＝4.75，D＝0.2，P＝0.5，B＝2.5，h＝0.5625，T＝0.15。对该矩形波导慢波线的耦合阻抗进行计算，结果如图5所示，并与普通的螺旋线慢波线耦合阻抗对比。图5中曲线1是本发明矩形慢波线的耦合阻抗曲线，曲线2是同一频段的现有螺旋线慢波线耦合阻抗曲线。从曲线1和曲线2的对比可以明显看出：本发明矩形慢波线比现有螺旋线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。
图6中曲线3是本发明矩形慢波线的色散曲线，曲线4是同一频段的双交错耦合腔慢波线色散曲线。从曲线3和曲线4的对比可以看出，本发明矩形慢波线色散曲线的通带范围约为22GHz-33GHz，耦合腔慢波线的通带范围约为26GHz-33GHz，本发明比耦合腔慢波线通带更宽。
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)

1.一种用于行波管的矩形慢波线，包括：
矩形屏蔽筒，由一个矩形脊波导构成，其上下宽边的内长度为W，左右窄边的内长度为H，壁厚为D，W可以大于或者等于H；两个对称分布的脊位于上下宽边中心，脊宽为B，脊高度为h，脊的长度与矩形脊波导的长度相等，为L；
其特征在于，还包括：
多个尺寸完全相同的金属矩形环，沿纵向(矩形屏蔽筒的长度方向)周期性排列在矩形屏蔽筒中轴线上，每个金属矩形环外方内圆，内圆半径为r，外方形宽度为A,金属矩形环厚度为S，金属矩形环的排列周期为P；
金属矩形环的内圆部分，则构成行波管的电子注通道；
金属矩形环的内圆半径r、外正方形宽度A、金属矩形环厚度S满足：2r<A<H-2h,0<r<0.5A,0<S<P；金属脊宽度B、高度h满足：0<B≤W,0≤h<0.5(H-A)；周期排列的金属矩形环总长度与矩形屏蔽筒长度L相等，L应满足L＝nP(n个金属矩形环)或L＝nP+S(n+1个金属矩形环)，或L＝nP-S(n-1个金属矩形环)；
两块金属平板，分别位于金属矩形环与矩形屏蔽筒两个窄边之间，并平行于矩形屏蔽筒宽边，两块金属平板将金属矩形环和矩形屏蔽筒窄边连接在一起，金属平板的厚度为T,纵向长度为L。
2.根据权利要求1所述的矩形慢波线，其特征在于，采用以下方式进行加工：
首先对除掉矩形屏蔽筒(矩形脊波导)上下宽边(包括脊)后的剩余部分即由矩形屏蔽筒左右窄边、多个金属矩形环、两块金属平板组成的部分，直接用电火花线切割在纵向和垂直两个方向上整体加工，然后将矩形屏蔽筒(矩形脊波导)上下宽边(包括脊)与其所述的剩余部分即由矩形屏蔽筒左右窄边、多个金属矩形环、两块金属平板组成的部分焊接而成。
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