CN106207353A - 一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导，包括沿Z轴方向依次连通的至少两个最短波导周期结构。所分段外缘凸起螺旋线折叠波导通过若干直角弯波导和直波导构成。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直角弯波导带来的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。该分段外缘凸起螺旋线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，用在微波、毫米波和太赫兹波段的各种通信和雷达系统中。
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分段外缘凸起螺旋线折叠波导。
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分段外缘凸起螺旋线折叠波导。 在用于波导行波管的慢波慢波结构时， 在本发明上可以方便地设置多根电子束通道。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，分段外缘凸起螺旋线折叠波导,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和输入输出波导。所述最短波导周期结构指在Z方向长度最短的波导周期。由于最短波导周期结构的任意整数倍都可以作为该分段外缘凸起螺旋线折叠波导的一个周期，这里对最短波导周期结构做出了定义。
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一条连续的线段CD。这样，任意与Z轴平行的直线与任意一个最短波导周期结构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分段外缘凸起螺旋线折叠波导的显著区别之一。在传统的折叠波导行波管中，任意与Z轴平行的直线与任意一个最短波导周期结构有两条连续的交汇线段。
该分段外缘凸起螺旋线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。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结构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分段外缘凸起螺旋线折叠波导中电场强度最大的位置。
不失一般性， 我们定义所述任意最短波导周期结构的两端面的位置如下：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，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，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于零。
所述分段外缘凸起螺旋线折叠波导由不连续的波导段构成。每一个最短波导周期结构至少包括4个直角弯波导和4个波导段。所述直角弯波导的侧面为直角三角形形状。其中两个直角边分别位于该直角弯波导的输入端口和输出端口上。
每一个最短波导周期结构包括至少4个直角弯波导和至少4个波导段；直角弯波导的侧面为一个直角三角板形状；在所述直角三角板形状的斜边设置有台阶形凸起结构；直角弯波导的直角都指向O点方向，且直角弯波导沿绕Z轴的螺旋线顺次旋转设置；且一个波导段位于相邻任意2个直角弯波导之间；每一个最短波导周期结构中的至少一个所述直角弯波导或一个波导段的两个端口在Z轴方向错开。所有直角弯波导面向YZ平面的一面均互相平行并垂直与Z轴，同一最短波导周期结构中的相隔2个波导段，一个波导段相-Z方向倾斜设置，另一个波导段向Z方向倾斜设置。
为了改善该分段外缘凸起螺旋线折叠波导在宽频段内的匹配，构成所述每一个最短波导周期结构的所述4个直角弯波导和4个波导段中至少一个的横截面的至少一个形状参数随该分段外缘凸起螺旋线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分段外缘凸起螺旋线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。这里的所述分段外缘凸起螺旋线折叠波导的中心线通过电磁波信号在该分段外缘凸起螺旋线折叠波导中的最大电场强度幅值点。
为了实现所述分段外缘凸起螺旋线折叠波导，至少所述两个周期的直角弯波导和波导段可以分为两组， 每组分别位于该分段外缘凸起螺旋线折叠波导的X轴方向和-X轴方向。属于同一组的所有所述直角弯波导和波导段的开口方向朝向所述分段外缘凸起螺旋线折叠波导的轴线方向的表面都齐平。 这样，属于同一组的所有所述直角弯波导和波导段可以通过普通数控铣床作为一体完成加工。
为了让所有的直角弯波导和波导段互相连接并沿Z方向排列，构成所述每一个最短波导周期结构的至少一个所述直角弯波导和/或波导段的两个端口沿Z方向错开。。
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分段外缘凸起螺旋线折叠波导。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。采用该分段外缘凸起螺旋线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的一个最短波导周期结构示意图；
图3为本发明实施实例1的一组直角弯波导示意图；
附图中标号对应名称：1-输入输出波导，2-波导段，4-直角弯波导， 7-直线电子束通道。
实施实例1
如图1-3所示。
分段外缘凸起螺旋线折叠波导，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，每一个最短波导周期结构包括至少4个直角弯波导4和至少4个波导段2；直角弯波导的侧面为一个直角三角板形状；在所述直角三角板形状的斜边设置有台阶形凸起结构；直角弯波导4的直角都指向O点方向，且直角弯波导4沿绕Z轴的螺旋线顺次旋转设置；且一个波导段位于相邻任意2个直角弯波导4之间；每一个最短波导周期结构中的至少一个所述直角弯波导4或一个波导段2的两个端口在Z轴方向错开。优选的，所有直角弯波导面向YZ平面的一面均互相平行并垂直与Z轴，同一最短波导周期结构中的相隔2个波导段，一个波导段相-Z方向倾斜设置，另一个波导段向Z方向倾斜设置。具体的，如图2所示，这个最短波导周期结构中存在4个直角弯波导4和4个波导段2，其中4个直角弯波导4分别位于XY平面的四个象限区域内，2个波导段设置在X轴方向上，另外2个波导段设置在Y轴方向上，X轴方向上的2个波导段分别向Z方向和-Z方向倾斜，Y轴方向上的2个波导段的轴线均与Y轴平行不倾斜设置，由于有2个波导段倾斜设置，会到三象限和四象限区域内的2个直角弯波导4错位设置，即不位于同一平面内，这个造成最短波导周期结构成螺旋变化效果。
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一条连续的线段CD。
设置有8根直线电子通道7。该直线电子束通道7与Z轴平行。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。
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。
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于零。
所述分段外缘凸起螺旋线折叠波导由不连续的波导段构成。每一个最短波导周期结构包括4个直角弯波导4和4个波导段2。
所述2个直角弯波导4的横截面深度随该分段外缘凸起螺旋线折叠波导的中心线的相对变化大于10%。
4个周期的8个直角弯波导4和4个波导段2被分为两组， 每组分别位于该分段外缘凸起螺旋线折叠波导的X轴方向和-X轴方向；属于同一组的所有所述直角弯波导4和波导段2的朝向所述分段外缘凸起螺旋线折叠波导的轴线方向的表面都齐平。这样，属于同一组的所有所述直角弯波导4和波导段2可以通过普通数控铣床作为一体完成加工。
所述8个波导段2的两个端口沿Z方向错开。
以上我们给出了分段外缘凸起螺旋线折叠波导的一个实施实例。在这个实例中，为了绘制示意图的方便，分段外缘凸起螺旋线折叠波导的周期数为4个。实际上，在电磁波源，特别是在行波管中，分段外缘凸起螺旋线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，为了加工这些分段外缘凸起螺旋线折叠波导，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。这些倒角会对分段外缘凸起螺旋线折叠波导的性能产生影响，在建模计算时必须加以考虑。
Claims (9)
1.一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导，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，所述分段外缘凸起螺旋线折叠波导包括沿Z轴方向依次连通并重复的至少2个最短波导周期结构，最短波导周期结构指在Z方向长度最短的波导周期；每一个最短波导周期结构包括至少4个直角弯波导（4）和至少4个波导段（2）；直角弯波导的侧面为一个直角三角板形状；在所述直角三角板形状的斜边设置有台阶形凸起结构；直角弯波导（4）的直角都指向O点方向，且直角弯波导（4）沿绕Z轴的螺旋线顺次旋转设置；且一个波导段位于相邻任意2个直角弯波导（4）之间；每一个最短波导周期结构中的至少一个所述直角弯波导（4）或一个波导段（2）的两个端口在Z轴方向错开。
2.根据权利要求1所述的一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导， 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一条连续的线段CD。
3.根据权利要求2所述的一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导， 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.据权利要求1所述的一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导， 其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导， 其特征在于，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。
6.根据权利要求1所述的一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导， 其特征在于，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。
7.根据权利要求2所述的一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导，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。
8.根据权利要求1所述的一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导，其特征在于，所有直角弯波导面向YZ平面的一面均互相平行并垂直于Z轴，同一最短波导周期结构中的相隔2个波导段，一个波导段相-Z方向倾斜设置，另一个波导段向Z方向倾斜设置。
9.根据权利要求8所述的一种分段外缘凸起螺旋线折叠波导， 其特征在于，构成所述每一个最短波导周期结构的所述4个波导段（2）中至少一个的横截面的至少一个形状参数随该分段外缘凸起螺旋线折叠波导的中心线的相对变化大于10%。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200107 |