CN106783477A - 基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构，本发明属于径向束行波管慢波系统领域，解决现有技术由于介质基底存在电荷积累形成电场导致电子注偏离径向轨迹，可能造成微带慢波结构损毁以及电子注偏离有效互作用区域而造成行波管效率降低,以及由于尺寸共度效应，行波管慢波系统的尺寸随着工作频率升高而减小，电子注通道的尺寸随之受到大幅度压缩而导致工艺成本增加、性能与稳定性降低等技术问题。本发明主要包括介质基底、角度径向对数微带曲折线、光子带隙结构和侧边微带线。本发明用于径向束行波管的注波互作用系统。

Description

基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构

技术领域

本发明属于径向束行波管慢波系统领域，具体涉及基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构。

背景技术

行波管作为微波功率器件，具有频带宽、功率大、效率高、增益大及寿命长等特点，在电子对抗、军民通信领域得到广泛应用，其性能决定这整机装备的整体水平。

目前常用的螺旋线行波管、耦合腔行波管、折叠波导行波管等，由于尺寸共度效应，慢波结构的尺寸会随着工作频率的提高而减小，导致在高频工作时，电子注通道的尺寸被大幅度的压缩，要求更严格的加工精度和装配精度。同时，对行波管的电子枪的要求也相应提高，更小的阴极头、更大的电流发射密度，都会对电子枪的性能和寿命带来不利的影响。

使用角度径向对数曲折线微带慢波结构的径向束行波管，相对于上述常用的行波管具有工作电压低、体积小、工艺一致性好等特点。采用角度径向对数曲折线微带慢波结构的行波管将极大扩展行波管的应用领域。

发明内容

针对上述现有技术，本发明目的在于提供基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构，解决现有技术由于介质基底存在电荷积累形成电场导致电子注偏离径向轨迹，可能造成微带慢波结构损毁以及电子注偏离有效互作用区域而造成行波管效率降低,以及由于尺寸共度效应，行波管慢波系统的尺寸随着工作频率升高而减小，电子注通道的尺寸随之受到大幅度压缩而导致工艺成本增加、性能与稳定性降低等技术问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种微带慢波结构，包括

微带慢波结构，按角度径向对数规律呈周期的曲折线结构分布；

光子带隙结构，与微带慢波结构相互独立、与微带慢波结构内行波位移矢量有间隔距离且对行波的传播场产生互作用。

上述方案中，所述的光子带隙结构，呈对称结构，其中心线与微带慢波结构沿行波位移矢量方向上的中心线在垂直行波位移矢量方向的投影重合。

上述方案中，所述的光子带隙结构，为由E字母形结构和镜像E字母形结构的中部凸起互相连接构成的对称结构，连接段所在直线与微带慢波结构沿行波位移矢量方向上中心线在垂直行波位移矢量方向上的投影重合；

所述E字母形结构和镜像E字母形结构的两端凸起还均具有朝向中部凸起的拐角部。

上述方案中，所述光子带隙结构，设置于微带慢波结构正投影面内且其沿行波位移矢量方向的分布特征为独立的两个或均匀分布、独立的至少三个。

基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构，包括

介质基底；

微带慢波结构，具有输入端和输出端，按角度径向对数规律呈周期的曲折线结构分布并设置于介质基底一侧；

侧边微带线，其外包络线与微带慢波结构外包络线有间隔距离并设置于与微带慢波结构相同的介质基底一侧；

光子带隙结构，设置于介质基底另一侧且其中心位于微带慢波结构在介质基底该侧的投影区域内。

上述方案中，所述的介质基底，采用扇形体结构，微带慢波结构沿行波位移矢量方向的中心线与第一扇形平面的对称轴重合，侧边微带线分别设置于第一扇形平面直线边缘，光子带隙结构设置于第二扇形平面。

上述方案中，所述的介质基底，为扇形几何结构的、厚度为0.254毫米的石英介质板，与微带慢波结构重合的位置有一定高度的凸起。

上述方案中，所述的微带慢波结构，为具有一定角向角度的对数螺旋线通过交替首尾相连构成的微带线，并在直角弯曲处有倒角。

上述方案中，所述的侧边微带线，包括相对微带慢波结构的金属短弧带或沿第一扇形平面直线边缘均匀分布的金属短弧带阵列。

上述方案中，所述的侧边微带线为具有一定宽度的、端部有延长的V形微带线，呈阵列分布，居于微带慢波结构的两侧，且与其同位于介质基底的同一面。

上述方案中，所述的光子带隙结构，为由E字母形结构和镜像E字母形结构的中部凸起互相连接构成的对称结构，连接段所在直线与微带慢波结构沿行波位移矢量方向上中心线在垂直行波位移矢量方向上的投影在介质基底另一侧相重合；

所述E字母形结构和镜像E字母形结构的两端凸起还均具有朝向中部凸起的拐角部；

所述的光子带隙结构，其分布特征为一个、两个或均匀分布的至少三个。

一种光子带隙结构，包括E字母形结构，E字母形结构的两端凸起具有朝向中部凸起的拐角部。

上述方案中，还包括镜像E字母形结构，镜像E字母形结构的两端凸起具有朝向中部凸起的拐角部；

所述的光子带隙结构，为由E字母形结构和镜像E字母形结构的中部凸起互相连接共同构成的对称结构，或者为所述对称结构与E字母形结构和/或镜像E字母形结构通过排列分布构成的组合结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

通过引入光子带隙结构，利用耦合传播场的互作用，显著提升了行波管的输出功率，在所需输出功率一定的情况下，无需以进一步提高电子注总电流为代价去获得功率提升而同时增加不必要的工艺成本、损失电子枪的性能和稳定性，同时降低了大电子注束流密度时所需聚焦系统的复杂程度；

通过引入微带线结构，将介质基底的积累电荷消除，降低介质基底的电荷积累效应，减弱了由于介质基底所积累的电荷对微带慢波结构内电子注的干扰，从而保证电子注与微波进行有效的互作用。

附图说明

图1为本发明实施例的角度径向对数微带曲折线结构示意图；

图2为本发明实施例的侧边微带线结构示意图；

图3为本发明实施例的介质基底俯视图；

图4为本发明实施例的介质基底前视图及局部放大图；

图5为本发明实施例的侧边微带线阵列俯视图；

图6为本发明实施例的光子带隙结构示意图；

图7为本发明实施例的光子带隙结构阵列的仰视图；

图8为本发明一种放于金属腔内实施例安装结构示意图，1-金属腔体，2-阴极，3-光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构，4-输入端口，5-输出端口；

图9为本发明一种放于金属腔内实施例输入端部分放大结构示意图；

图10为本发明实施例的对数螺旋线示意图；

图11为本发明实施例的角度对数曲折线示意图；

图12为本发明实施例的有光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构的仿真模型立体结构示意图，上部分为仰视角结构，下部分为俯视角结构；

图13为本发明实施例的有光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构的注波互作用仿真结果曲线图；

图14为实施例的无光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构的仿真模型结构示意图；

图15为实施例的无光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构的注波互作用仿真结果曲线图；

图16为本发明实施例的有光子带隙结构加载的微带慢波结构径向电场分布图；

图17为本发明实施例的无光子带隙结构加载的微带慢波结构径向电场分布图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

通过在其他形状结构的介质基底上构建共面或异面的慢波结构及其对应的光子带隙结构，只要其实质是利用电磁场矢量或分量通过互作用形成耦合电磁分布场以提升行波管性能，都将仅仅是本发明的一种实施例。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

w为角度径向对数微带曲折线的宽度，θ为角度径向对数微带曲折线的角向角度，r为角度径向对数微带曲折线的对数螺旋线的初始半径，l_sws为角度径向对数微带曲折线的径向长度，c_sws为角度径向对数微带曲折线的直角折弯出的45°倒角长度，d_lr为角度径向对数微带曲折线的输入输出端延长段长度，n为周期数。

p为构成光子带隙结构图案的微带线的宽度，p1为正方形光子带隙结构的边长，p2为光子带隙结构的局部方形图案的长度。

rc为侧边微带线顶端及两端圆弧的半径，θc为侧边微带线的斜边夹角，dc1为侧边微带线的整体宽度，dc2为侧边微带线的微带线宽度，dh1为侧边微带线两端圆弧圆心距离底端的高度，dh2为侧边微带线顶端圆弧所在的圆心距离底端的高度。

d_lr“倒角的角度径向对数微带曲折线”输入输出延长线的长度，同时也是介质基板的边缘到“倒角的角度径向对数微带曲折线”边缘的距离，为d_ud为“倒角的角度径向对数微带曲折线”的输入、输出延长线与介质基板边缘起点之间的距离，介质基板的边的夹角与“倒角的角度径向对数微带曲折线”的角度相同，为θ。r_ds为起始端介质基底的圆弧半径，r_db为结束端介质基底的圆弧半径。

t_d为介质基底的厚度，d_stg为与“倒角的角度径向对数微带曲折线”几何尺寸相同的介质基底台阶的厚度，t为“倒角的角度径向对数微带曲折线”的厚度。

d_sc1为侧边微带线阵列左侧与起始端微带延长线的距离，d_sc2为侧边为电线阵列右侧与结束端微带延长线的距离，d_cc为侧边微带线阵列周期。

d_pp为光子带隙结构阵列的周期，d_pd1为光子带隙结构阵列的左侧与介质基底起始端圆弧弧线中心点的距离，d_pd2为光子带隙结构阵列的右侧与介质基底结束端圆弧弧线中心点的距离。

h_v为角度对数微带线所在的面的真空腔的高度，h_b为光子带隙结构阵列所在的面的真空腔的高度。

所述的“倒角的角度径向对数微带曲折线”，形成过程如下：

对数螺旋的定义为：其中，a＝(9～17)mm为表征对数螺旋线线圈之间间隔的参数，在本专利中，一个周期包含两端角度对数曲折线，因此，的取值为4π的整数倍，对于周期数为n的角度对数曲折线，所用的公式变为R＝re^4anπ，图10为在极坐标系下，初始半径为r，n＝2时的对数螺旋线图形。本专利周期数取n＝25。

以坐标原点为起点，经过对数螺旋线的起始点的射线L_1，围绕原点逆时针旋转角度θ＝(3～7)°，得到射线L_2，删除两条射线夹角以外的对数螺旋线以及两条射线，并将剩下的角度对数螺旋线依次首尾相连构成角度对数曲折线(如图11所示)。以长宽分别为微带线线宽w＝(0.025～0.08)mm和微带线厚度t＝(0.003～0.017)mm的矩形作为截面，以图11所示的角度对数曲折线为引导线进行扫掠，并对直角折弯处进行倒角(倒角边长c_sws＝1.6w×sin(π/4))，即可得到如图1所示的“倒角的角度径向对数微带曲折线”。

如图3及图4所示，介质基底的厚度为t_d＝(0.1～0.3)mm，平面几何尺寸由“倒角的角度径向对数微带曲折线”的几何尺寸确定，即在径向(起始端和结束端)比“倒角的角度径向对数微带曲折线”多出距离d_ud＝(0.4～0.8)mm，角向边缘分别距离“倒角的角度径向对数微带曲折线”边缘d_lr＝(0.4～0.8)mm。介质基底起始端的圆弧半径为r_ds＝(28～30)mm，结束端的圆弧半径为r_db＝(29～41)mm，介质基底上表面有一个与“倒角的角度径向对数微带曲折线”位置和形状完全相同的台阶，介质基底台阶的厚度为d_stg＝(0.01～0.03)mm。这样，介质基底的几何形状可以完全由“倒角的角度径向对数微带曲折线”的几何尺寸确定，并随“倒角的角度径向对数微带曲折线”的几何尺寸的变化而变化。

侧边微带线的图形如图2所示，其几何形状由图中三个虚线的圆确定，具体如下：

顶端圆弧所在的圆与两端圆弧所在的圆的半径为rc＝(0.07～0.15)mm，分别绘制顶端圆到两端圆的切线，以及两端圆向下绘制切线(高度为dh1＝(0.15～0.25)mm)，分别连接两个圆的切线，并删除轮廓线以内的线段和圆弧，即形成如图2所示的侧边微带线，其中，斜边的夹角为θc＝(50～70)°。顶端圆圆心距离底端的高度为dh2，微带线的宽度dc2＝2×rc，侧边微带线的整体宽度dc1＝2×dc2+(dh2-dh1)×tan(θc/2)，这样，调整θc的值，可以对侧边微带线的宽度尺寸进行调整。

侧边微带线阵列如图5所示，侧边微带线的底边与介质基底齐平，侧边微带线阵列距离“倒角的角度径向对数微带曲折线”输入延长线的距离为d_sc1＝(0.4～0.8)mm，一个周期的距离为d_cc＝(1.1～1.5)×dc1，距离输出延长线的距离为d_sc2，该尺寸为自由尺寸，由阵列在输入输出引线之间的最大总长度决定，阵列侧边微带线阵列在角向关于介质基底角向中心线对称。这样，侧边微带线阵列的位置关系完全确定。

图6所示的光子带隙结构为正方形对称几何图案，微带线宽为p＝(0.15～0.25)mm，p1＝2×p2+p，其中，p2＝3×p。

图7光子带隙结构阵列的仰视图，光子带隙结构位于介质基底的底面，其中心线与介质基底角向中心线重合。光子带隙结构阵列与介质基底起始端的距离为d_pd1＝(0.3～0.7)mm，余结束端的距离为d_pd2＝(0.3～0.7)mm，周期为d_pp＝(1.05～1.15)×p1。d_pd1、d_pd2与d_pp的值由“倒角的角度径向对数微带曲折线”决定，即阵列能够与其投影基本重叠。

(图8所示)一种光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构放置在金属腔里，在起始端放置可以产生角度径向电子注的阴极，并在光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构放置同轴的输入输出结构，可以起到将角度径向电子注功率传递给在角度径向微带慢波线上传输的微波，进而起到微波功率放大的作用。

(图9为图8的局部前视图)从图中可以看出来光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构在金属腔中的相对位置，即角度对数微带线所在的面的真空腔的高度为h_v＝(0.3～1.3)mm，光子带隙结构阵列所在的面的真空腔的高度，所述的真空腔为介质基底表面与对应的金属腔端面之间的空隙。

图16所示为光子带隙结构加载的微带慢波结构径向电场分布图，图17为无光子带隙结构加载的微带慢波结构径向电场分布图。从图16中可以看出，光子晶体带隙加载的微带慢波结构径向(行波位移矢量方向)电场在轴向(垂直行波位移矢量方向)的覆盖范围更大，可以更有效地覆盖电子注运动区域，进而更有效地进行注波互作用，提高输出功率。同时，电场径向分布的周期性更强，在同样的微带慢波结构周期数情况下，电子注的调制作用在光子带隙结构加载的条件下更明显，也能起到提高互作用效率的作用，即在同等的电压、电流条件下，可以获得更大的微波输出功率图中，左侧中部白色矩形为理想阴极的截面。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微带慢波结构，其特征在于，包括

微带慢波结构，按角度径向对数规律呈周期的曲折线结构分布；

光子带隙结构，与微带慢波结构相互独立、与微带慢波结构内行波位移矢量有间隔距离且对行波的传播场产生互作用。

2.根据权利要求1所述的一种微带慢波结构，其特征在于，所述的光子带隙结构，呈对称结构，其中心线与微带慢波结构沿行波位移矢量方向上的中心线在垂直行波位移矢量方向的投影重合。

3.根据权利要求1或2所述的一种微带慢波结构，其特征在于，所述的光子带隙结构，为由E字母形结构和镜像E字母形结构的中部凸起互相连接构成的对称结构，连接段所在直线与微带慢波结构沿行波位移矢量方向上中心线在垂直行波位移矢量方向上的投影重合；

所述E字母形结构和镜像E字母形结构的两端凸起还均具有朝向中部凸起的拐角部。

4.根据权利要求3所述的一种微带慢波结构，其特征在于，所述光子带隙结构，设置于微带慢波结构正投影面内且其沿行波位移矢量方向的分布特征为独立的两个或均匀分布、独立的至少三个。

5.基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构，其特征在于，包括

介质基底；

微带慢波结构，具有输入端和输出端，按角度径向对数规律呈周期的曲折线结构分布并设置于介质基底一侧；

侧边微带线，其外包络线与微带慢波结构外包络线有间隔距离并设置于与微带慢波结构相同的介质基底一侧；

光子带隙结构，设置于介质基底另一侧且其中心位于微带慢波结构在介质基底该侧的投影区域内。

6.根据权利要求5所述的基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构，其特征在于，所述的介质基底，采用扇形体结构，微带慢波结构沿行波位移矢量方向的中心线与第一扇形平面的对称轴重合，侧边微带线分别设置于第一扇形平面直线边缘，光子带隙结构设置于第二扇形平面。

7.根据权利要求6所述的基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构，其特征在于，所述的侧边微带线，包括相对微带慢波结构的金属短弧带或沿第一扇形平面直线边缘均匀分布的金属短弧带阵列。

8.根据权利要求5-7中任意一项权利要求所述的基于光子带隙结构加载的角度径向对数曲折线微带慢波结构，其特征在于，所述的光子带隙结构，为由E字母形结构和镜像E字母形结构的中部凸起互相连接构成的对称结构，连接段所在直线与微带慢波结构沿行波位移矢量方向上中心线在垂直行波位移矢量方向上的投影在介质基底另一侧相重合；

所述E字母形结构和镜像E字母形结构的两端凸起还均具有朝向中部凸起的拐角部；

所述的光子带隙结构，其分布特征为一个、两个或均匀分布的至少三个。

9.一种光子带隙结构，其特征在于，包括E字母形结构，E字母形结构的两端凸起具有朝向中部凸起的拐角部。

10.根据权利要求9所述的一种光子带隙结构，其特征在于，还包括镜像E字母形结构，镜像E字母形结构的两端凸起具有朝向中部凸起的拐角部；

所述的光子带隙结构，为由E字母形结构和镜像E字母形结构的中部凸起互相连接共同构成的对称结构，或者为所述对称结构与E字母形结构和/或镜像E字母形结构通过排列分布构成的组合结构。