CN106128913B - 一种均匀螺旋线矩形折叠波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种均匀螺旋线矩形折叠波导，包括沿Z轴方向依次连通的至少2个最短波导周期和输入输出波导。所述波导为矩形波导、单脊矩形波导或双脊矩形波导。均匀螺旋线矩形折叠波导通过一定横截面的波导型材绕Z轴沿一螺旋线弯曲构成。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。同时，本发明可以使直线电子束通道的数目增加到2根至多根，可以显著改善束波互作用效率。该均匀螺旋线矩形折叠波导也可以用于实现各种波导、单脊波导或双脊波导的紧凑型延迟线。
Description
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均匀螺旋线矩形折叠波导。
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。虽然在折叠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。采用折叠传输线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。
背景技术
传统的折叠传输线一般采用传输线连续弯曲而成。比如波导延迟线和折叠波导行波管中的折叠波导将波导弯曲叠放。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。普通的折叠波导行波管存在的另一个问题是由于单电子书造成的束波互作用的效率问题。国内外有采取2至3根电子束的方案，但与位于结构中心轴上的主电子束相比，其它电子束所经历的电磁波的相位会有一定程度的失配，导致器件总体性能的下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种没有形状相位差的均匀螺旋线矩形折叠波导。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，均匀螺旋线矩形折叠波导，包括一根绕Z方向螺旋弯曲的波导和安装在波导端部的输入输出波导；波导螺旋弯曲360度后形成一个周期；至少存在2个周期；每弯曲一周形成一个最短波导周期；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；波导螺旋弯曲后形成一个螺旋波导结构；由于最短波导周期的任一整数倍都可以作为该均匀螺旋线矩形折叠波导的一个周期，这里对最短波导周期做出了定义。
存在一与Z轴平行的直线AB，所述直线AB与任一一个所述最短波导周期的交集为一条连续的线段CD。这样，任一与Z轴平行的直线与任一一个最短波导周期只有一条连续的交汇线段。这是本发明与传统的折叠波导行波管中的均匀螺旋线矩形折叠波导的显著区别之一。在传统的折叠波导行波管中，任一与Z轴平行的直线与任一一个最短波导周期有两条连续的交汇线段。
该均匀螺旋线矩形折叠波导作为慢波结构使用时，需要设置至少一根直线电子通道。该直线电子束通道与Z轴平行。直线电子通道从垂直于XY平面方向贯穿进螺旋波导结构。所述直线电子束通道与所述直线AB重合。作为最佳设计，所述线段CD通过所述最短波导周期中电磁波的电场强度的最大幅值点。也就是说，直线电子通道通过该均匀螺旋线矩形折叠波导中电场强度最大的位置。
不失一般性，我们定义任一所述最短波导周期的两端面的位置如下：任一最短波导周期的两端面都与YZ平面平行。所述最短波导周期的两端面的形状为矩形；任一所述最短波导周期的两端面的宽边都与Y轴方向平行。
或者，所述最短波导周期的两端面为单脊矩形波导；任一所述最短波导周期的两端面中的任一端面的宽边与Y轴方向平行，所述单脊矩形波导的脊位于该波导的一个宽边上。
或者，最短波导周期的两端面为双脊矩形波导；任一所述最短波导周期的两端面中的任一端面的宽边与Y轴方向平行，所述双脊矩形波导的双脊分别位于该波导的两个宽边上。
作为实现方式之一，所述均匀螺旋线矩形折叠波导由一定位于YZ平面内的形状同时围绕Z轴旋转并沿Z轴方向均匀移动构成；所述一定位于YZ平面内的形状与Z轴没有交点。
为了便于加工，所述均匀螺旋线矩形折叠波导的至少2个最短波导周期布置在一个圆柱内导体上；该多个最短波导周期的外表面与该圆柱内导体的外表面重合。这时，所述均匀螺旋线矩形折叠波导可以在一根金属圆柱体的外表面利用普通数控车床加工完成。这里的所谓外表面是相对于该均匀螺旋线矩形折叠波导的轴线所决定的中心线而定义。
为了便于对所述均匀螺旋线矩形折叠波导进行真空密封，所述均匀螺旋线矩形折叠波导还包括至少两个外导体；所述外导体的内表面都与所述圆柱内导体的外表面重合；所有所述外导体将所述内导体外表面密封。
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与任一两个沿Z方向相邻的最短波导周期的交集处的电磁波的相位差趋于零。
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均匀螺旋线矩形折叠波导。在已有的传统的折叠波导慢波线的基础上，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。该发明也可以用作紧凑的信号延迟线。采用该均匀螺旋线矩形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，增大其功率并展宽其工作带宽。
附图说明
图1为本发明实施实例1示意图；图2为本发明实施实例1的沿Z轴方向的端面示意图；图3为本发明实施实例2示意图；图4为本发明实施实例3示意图；图5为本发明实施实例3的圆柱内导体示意图；图6为本发明实施实例3的外导体示意图；图7为本发明实施实例3沿Z轴方向的端面示意图；图8为本发明实施实例3的一个最小周期示意图；图9为本发明实施实例3的示意图(包括多根直线电子束通道)；图10为本发明实施实例3的示意图(包括多根直线电子束通道和圆柱内导体)；附图中标号对应名称：1-输入输出波导，2-最短波导周期，7-直线电子束通道,9-圆柱内导体，9a-外导体。
具体实施例
实施实例1如图1和2所示。
均匀螺旋线矩形折叠波导，包括沿Z轴方向依次连通并重复的3个最短波导周期2和输入输出波导1。
与Z轴平行的直线AB，与任一所述一个最短波导周期的交集为一条连续的线段CD。
设置有4根直线电子通道7。该直线电子束通道7与Z轴平行。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中电磁波的电场强度的最大幅值点。也就是说，直线电子通道7通过该均匀螺旋线矩形折叠波导中电场强度最大的位置。
所述最短波导周期的两端面为单脊矩形波导；任一所述最短波导周期的两端面中的任一端面的宽边与Y轴方向平行，所述单脊矩形波导的脊位于该波导的一个宽边上。
所述均匀螺旋线矩形折叠波导由位于YZ平面内的“凹”形形状同时围绕Z轴旋转并沿Z轴方向均匀移动构成；所述一定位于YZ平面内的形状与Z轴没有交点。
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与任一所述两个沿Z方向相邻的最短波导周期的交集处的电磁波的相位差趋于零。
实施实例2如图3所示。
与实施实例1相比，不同之处仅在于:最短波导周期的两端面为双脊矩形波导；任一所述最短波导周期的两端面中的任一端面的宽边与Y轴方向平行，所述双脊矩形波导的双脊分别位于该波导的两个宽边上。
实施实例3如图4-10所示。与实施实例1相比，不同之处仅在于:最短波导周期的两端面都与YZ平面平行。所述最短波导周期的两端面的形状为矩形；任一所述最短波导周期的两端面的宽边都与Y轴方向平行。
所述均匀螺旋线矩形折叠波导的6个最短波导周期布置在一个圆柱内导体9上；该多个最短波导周期的外表面与该圆柱内导体9的外表面重合。
所述均匀螺旋线矩形折叠波导还包括两个外导体9a；所述外导体9a的内表面都与所述圆柱内导体9的外表面重合；所有所述外导体9a将所述内导体外表面密封。
共设置有8根直线电子束。
以上我们给出了均匀螺旋线矩形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，均匀螺旋线矩形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，均匀螺旋线矩形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，为了加工这些均匀螺旋线矩形折叠波导，需要采取线切割、数控车铣等加工方法，许多内角需要倒角处理。这些倒角会对均匀螺旋线矩形折叠波导的性能产生影响，在建模计算时必须加以考虑。
Claims (1)
1.一种均匀螺旋线矩形折叠波导，其特征在于，包括一根绕Z方向螺旋弯曲的波导和安装在波导端部的输入输出波导；波导螺旋弯曲360度后形成一个周期；至少存在2个周期；每弯曲一周形成一个最短波导周期；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；波导螺旋弯曲后形成一个螺旋波导结构；任一所述最短波导周期的两端面都与YZ平面平行；任一所述最短波导周期的两端面的宽边都与Y轴方向平行；所述最短波导周期的两端面为单脊矩形波导；所述单脊矩形波导的脊位于该波导的一个宽边上；
存在一与Z轴平行的直线AB，所述直线AB与任一一个最短波导周期的交集为一条连续的线段CD；
存在至少一根平行于Z轴的直线电子束通道(7)，直线电子束通道(7)从垂直于XY平面的方向贯穿进螺旋波导结构；所述直线电子束通道(7)与所述直线AB重合；所述线段CD、直线电子束通道(7)通过所述最短波导周期中电磁波的电场强度的最大幅值点；
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与任一两个沿Z方向相邻的最短波导周期的交集处的电磁波的相位差趋近于零。
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