CN106159403A - 一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导，包括沿Z轴方向依次连通的至少2个最短波导周期结构和输入输出波导（1）。扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导通过若干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。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。该扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形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

一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导

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斜扭耦合双脊矩形折叠波导。

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。

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斜扭耦合双脊矩形折叠波导。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，斜扭耦合扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导，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，还包括输入输出波导。

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；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。

或者，所述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为单脊矩形波导； 所述任一最短波导周期结构的两端面中的任意端面的宽边与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，所述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为双脊矩形波导；所述任一最短波导周期结构的两端面中的任意端面的宽边与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。

与传统的扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导不同的是，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。相比之下，在传统的折叠波导行波管中的折叠波导中， 由于所谓形状相位差的存在，对应的电磁波的电场的方向相反。

最短波导周期优选的方案一：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端面之间的间隙处。

最短波导周期优选的方案二：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个同时位于波导段一端的扭波导段；这2个同时位于波导段一端的扭波导段的轴线重合；这2个同时位于波导段一端的扭波导段中的一个扭波导段绕其轴线旋转后与另一个扭波导段呈X状交叉设置并靠接在一起；这2个同时位于波导段一端的扭波导段组成扭波导段组；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斜扭耦合双脊矩形折叠波导中，相邻的2个扭波导段组分别位于Y轴两侧；扭波导段由至少3个叠放在一起并连通的通孔组成。具体的，所述扭波导段过平面A的切面为镜像对称平面；平面A为一个与YZ平面平行并与某一扭波导段相切的面；扭波导段过平面A的切面存在2个镜像对称轴，这2个镜像对称轴都与Y轴成45度夹角；扭波导段过平面A由至少3个叠放在一起并连通的通孔组成。

所述每个最短波导周期结构中的2个U形弯波导为H面U形弯波导。

所述每个最短波导周期结构中的2个U形弯波导为E面U形弯波导。

所述扭波导段的两端面互相平行；所述扭波导段的两端面之间的距离小于该扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导的中心工作频率对应的自由空间中的波长的0.2倍。

为了便于建模计算，所述通孔的横截面形状为矩形。

所述各矩形通孔通过其相邻边连通。

为了改善该扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导在宽频段内的匹配，所述2个U形弯波导和/或2个波导段的横截面的至少一个形状参数随该扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导的中心线的相对变化大于10%。否则，由所述最短波导周期结构沿Z方向重复连接构成的扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导在某些频率点可能因反射的叠加导致电磁波无法顺利传播。这里的所述扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导的中心线通过由电磁波信号在该扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导中的最大电场强度幅值点。

斜扭耦合扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导通过采用扭波导克服传统折叠波导的形状相位差，方法是让波导在做180度弯曲的同时，电磁波的电场极化方向也完成180度的旋转。

一种情况，所述每个最短波导周期结构中的2个U形弯波导为H面U形弯波导； 所述4个扭波导段之间通过U形弯波导或波导段相互连通。

另一种情况，每两个扭波导互相直接相连构成一组。所述两个直接相连的扭波导段之间绕一平行于X轴的直线成一定角度，以60度为最佳。两组扭波导之间通过一个U形弯波导和一个E面U形弯波导相连。

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斜扭耦合双脊矩形折叠波导。在已有的传统的折叠波导的基础上，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。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斜扭耦合双脊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并展宽其工作带宽。特别是采用斜扭耦合折叠脊波导的行波管有望工作在超宽带频率范围。

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的最短波导周期结构示意图；

图3为本发明实施实例1的扭波导示意图；

图4为本发明实施实例1的H面U形脊波导示意图；

图5为本发明实施实例2的示意图；

图6为本发明实施实例2的一个最短波导周期结构示意图；

图7为本发明实施实例3的示意图；

图8为本发明实施实例3的最短波导周期结构示意图；

图9为本发明实施实例3的两个互相连通的扭波导示意图；

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， 51-通孔， 7-直线电子束通道。

实施实例1

如图1-4所示。

一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导, 包括沿Z轴方向依次连通并重复的4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端面之间的间隙处。

所述扭波导段5过平面A的切面为镜像对称平面，平面A为与YZ平面平行的面，扭波导段5的切面存在2个对称轴，这2个对称轴都与Y轴成45度夹角，切面由至少3个叠放在一起并连通的通孔51组成。

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Z轴平行；所述直线电子束通道7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为双脊矩形波导；所述任一最短波导周期结构的两端面中的任意端面的宽边与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。

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。

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至少4个扭波导段5。

所述扭波导段5的横截面为镜像对称，其对称面的法线方向与YZ平面平行，并且与Y轴成45度夹角。

所述扭波导段5的横截面有两个互相垂直的镜像对称面；其中至少一个镜像对称面的法线方向与Y轴成45度角。

所述每个最短波导周期结构中的2个U形弯波导4为H面U形弯波导4； 所述4个扭波导段5之间通过U形弯波导4或波导段2相互连通。

所述扭波导段5的两端面互相平行；所述扭波导段5的两端面之间的距离小于该扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导的中心工作频率对应的自由空间中的波长的0.2倍。

扭波导段5由至少3个叠放在一起并连通的通孔51组成。具体的，所述扭波导段5过平面A的切面为镜像对称平面；平面A为一个与YZ平面平行并与某一扭波导段5相切的面；扭波导段5过平面A的切面存在2个镜像对称轴，这2个镜像对称轴都与Y轴成45度夹角；扭波导段5过平面A由至少3个叠放在一起并连通的通孔51组成。

所述通孔51的横截面形状为矩形。

所述各矩形通孔51通过其相邻边连通。

所述2个U形弯波导4和2个波导段的金属脊的高度随该扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导的中心线的相对变化大于10%（图中未示出）。

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。也就是说，直线电子束通道7与任意最短波导周期结构有两个相交区域。

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。

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。

所述扭波导段5的横截面为镜像对称，其镜像对称面的法线方向与YZ平面平行，并且与Y轴成45度夹角。

所述扭波导段5的横截面有两个互相垂直的镜像对称面；其中2个镜像对称面的法线方向与Y轴成45度角。较佳的设计，两个互相垂直的镜像对称面的法线方向分别与Y轴成45度角和-45度角。

所述扭波导段为横截面为一定形状的一段短波导：所述扭波导段5的横截面由至少3个沿一定方向连通的通孔51构成。

所述扭波导段5的两端面之间的距离小于该扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导的中心工作频率对应的自由空间中的波长的0.2倍。

构成扭波导段5的所述通孔51的横截面形状为矩形。

所述各矩形通孔51通过其相邻边连通。

所述每个最短波导周期结构中的2个U形弯波导4为H面U形弯波导4； 所述4个扭波导段5之间通过U形弯波导4或波导段2相互连通。

输入输出波导为双脊波导。

实施实例2

如图5和6所示。

与实施实例1相比，不同之处仅在于：

这里，每一个最短波导周期结构包括2个H面矩形波导U形弯波导4和2个矩形波导段2。

输入输出波导为矩形波导。

实施实例3

如图7-9所示。

与实施实例1相比，不同之处仅在于：

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。U形双脊弯波导4为E面双脊U形弯波导4。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2个同时位于波导段2一端的扭波导段5；这2个同时位于波导段2一端的扭波导段5的轴线重合；这2个同时位于波导段2一端的扭波导段5中的一个扭波导段5绕其轴线旋转后与另一个扭波导段5呈X状交叉设置并靠接在一起；这2个同时位于波导段2一端的扭波导段5组成扭波导段组；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斜扭耦合双脊矩形折叠波导中，相邻的2个扭波导段组分别位于Y轴两侧。以上我们给出了扭波导合并式斜扭耦合双脊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，扭波导合并式斜扭耦合双脊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，扭波导合并式斜扭耦合双脊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，为了加工这些扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导，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斜扭耦合双脊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 (10)

1.一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导，其特征在于，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和输入输出波导（1）;所述最短波导周期结构指在Z方向长度最短的波导周期；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；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个同时位于波导段（2）一端的扭波导段（5）；这2个同时位于波导段（2）一端的扭波导段（5）的轴线重合；这2个同时位于波导段（2）一端的扭波导段（5）中的一个扭波导段（5）绕其轴线旋转后与另一个扭波导段（5）呈X状交叉设置并靠接在一起；这2个同时位于波导段（2）一端的扭波导段（5）组成扭波导段组；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斜扭耦合双脊矩形折叠波导中，相邻的2个扭波导段组分别位于Y轴两侧；所述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为双脊矩形波导；所述任一最短波导周期结构的两端面中的任意端面的宽边与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；扭波导段（5）由至少3个叠放在一起并连通的通孔（51）组成。

2.根据权利要求1所述的一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导，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斜扭耦合双脊矩形折叠波导， 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斜扭耦合双脊矩形折叠波导， 其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导， 其特征在于，所述扭波导段（5）过平面A的切面为镜像对称平面；平面A为一个与YZ平面平行并与某一扭波导段（5）相切的面；扭波导段（5）过平面A的切面存在2个镜像对称轴，这2个镜像对称轴都与Y轴成45度夹角；扭波导段（5）过平面A由至少3个叠放在一起并连通的通孔（51）组成。

6.根据权利要求5所述的一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导， 其特征在于，所述每个最短波导周期结构中的2个U形弯波导（4）为H面U形弯波导。

7.根据权利要求5所述的一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导， 其特征在于，所述每个最短波导周期结构中的2个U形弯波导（4）为E面U形弯波导。

8.根据权利要求5所述的一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导， 其特征在于，所述扭波导段（5）的两端面互相平行；所述扭波导段（5）的两端面之间的距离小于该扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导的中心工作频率对应的自由空间中的波长的0.2倍。

9.根据权利要求5所述的一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导， 其特征在于，所述通孔（51）的横截面形状为矩形。

10.根据权利要求9所述的一种扭波导合并式斜扭耦合双脊矩形折叠波导， 其特征在于，所述各矩形通孔（51）通过其相邻边连通。