CN107833815B - 一种平面角度对数曲折的带状慢波系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面角度对数曲折的带状慢波系统，通过平面角度对数曲折带状线慢波结构以及其配套使用脊波导输入输出端，从而解决现有的平面角度对数曲折线慢波结构中存在的由于输入输出端与曲折线之间的不连续性所引起的阻抗不匹配，从而导致慢波系统传输特性较差的问题；具体讲，通过在平面角度对数曲折带状线慢波结构和输入输出端中间添加渐变型阻抗匹配端的方式，实现了调节慢波结构的输入阻抗，大大降低了慢波结构与输入输出端相连接的不连续性，有效减小了电磁波由输入端传至慢波结构以及由慢波结构传至输出端时的反射，改善了慢波系统的传输特性。

Description

一种平面角度对数曲折的带状慢波系统

技术领域

本发明属于微波电真空电子器件技术领域，更为具体地讲，涉及一种平面角度对数曲折的带状慢波系统。

背景技术

行波管作为应用最为广泛的一种微波功率放大器件，具有频带宽、功率大、增益高、效率高和寿命长等特点，在军用和民用领域均具有非常广泛的应用。行波管的性能通常会直接决定整机装备的整体性能。

目前常用的行波管种类有：螺旋线行波管、耦合腔行波管、折叠波导行波管等，但是，由于尺寸共度效应，慢波结构的尺寸会随着其工作频率的升高而减小，在工作频率较高的条件下，电子注通道的尺寸会被大大地压缩，要求更加严格的加工精度和装配精度。同时，对行波管电子枪的要求也相应提高，更小的阴极头和更大的电流发射密度，都会对电子枪的设计要求更高，使得电子枪更难设计。

使用基于径向角度对数曲折线所设计的带状线慢波结构的径向束行波管，相对于上述常用的行波管来说，具有电压低、体积小、工艺一致性好等特点。采用径向角度对数曲折带状线慢波结构的行波管对于推进行波管小型化具有至关重要的意义，它也将极大地扩展行波管的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种平面角度对数曲折的带状慢波系统，通过平面角度对数曲折带状线慢波结构以及其配套使用脊波导输入输出端，来解决现有的平面角度对数曲折线慢波结构中存在的，由于输入输出端与曲折线之间的不连续性所引起的阻抗不匹配，从而导致慢波系统传输特性较差的问题。

为实现上述发明目的，本发明一种平面角度对数曲折的带状慢波系统，其特征在于，包括：连接输入、输出端的带状慢波结构；

所述的带状慢波结构包括平面角度对数曲折带状线、第一匹配端、第二匹配端和介质夹持杆；

其中，平面角度对数曲折带状线是以某一恒定角度截取平面对数螺旋线，并在交错位置处以交错对齐方式添加半圆弧，以半圆弧连接截取掉的线段而成；

第一匹配端是以平面对数螺旋线的中心为圆心，作4个同心圆，其半径由大到小排列依次为ra_1、ra_2、ra_3、ra_4，然后分别使用圆心角θ_1、θ_2、θ_3、θ_4依次在4个圆上截取四段圆弧，并在交错位置处以交错对齐方式添加半圆弧，以半圆弧连接截取掉的线段而成；

第二匹配端的获取方式为，以平面螺旋线的中心为圆心，作4个同心圆，其半径由小到大排列依次为rb_1、rb_2、rb_3、rb_4，然后分别使用圆心角θ_1、θ_2、θ_3、θ_4依次在4个圆上截取三段圆弧，并在交错位置处以交错对齐方式添加半圆弧，以半圆弧连接截取掉的线段而成；

介质夹持杆包括两根直四棱柱介质杆和四根直五棱柱介质杆；其中，以平面角度对数曲折带状线的径向中心线为参考，在平面角度对数曲折带状线两侧外侧处分别对称安装一根直四棱柱介质杆，用于支持平面角度对数曲折带状线；在第一匹配端和第二匹配端两侧外侧处分别对称安装一根直五棱柱介质杆，用于调节系统的阻抗；

所述的输入、输出端结构相同，均包括矩形波导、波导脊以及连接波导脊与匹配端的连接段；

其中，矩形波导采用Ka波段的标准矩形波导，置于波导脊与连接段的外围；

波导脊的宽度为固定值，其值大于第一匹配端或第二匹配端的线宽度，高度为连续变化，且服从指数变化规律，当脊高度达到最大值后保持一小段高度不变化，从而在波导脊的下表面形成为矩形状截面；

连接段采用一块扁平的直棱柱金属块，底面为六边形，可以看作一个等腰梯形的下底连接着一个矩形；其中，矩形的长边与等腰梯形下底长度相等且二者重合；

在输入端，第一匹配端与连接段的等腰梯形上底侧连接，且靠等腰梯形的左侧；在输出端，第二匹配端同样与连接段的等腰梯形上底侧连接，但靠等腰梯形的右侧。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种平面角度对数曲折的带状慢波系统，通过平面角度对数曲折带状线慢波结构以及其配套使用脊波导输入输出端，从而解决现有的平面角度对数曲折线慢波结构中存在的由于输入输出端与曲折线之间的不连续性所引起的阻抗不匹配，从而导致慢波系统传输特性较差的问题；具体讲，通过在平面角度对数曲折带状线慢波结构和输入输出端中间添加渐变型阻抗匹配端的方式，实现了调节慢波结构的输入阻抗，大大降低了慢波结构与输入输出端相连接的不连续性，有效减小了电磁波由输入端传至慢波结构以及由慢波结构传至输出端时的反射，改善了慢波系统的传输特性。

同时，本发明一种平面角度对数曲折的带状慢波系统还具有以下有益效果：

(1)、通过在平面角度对数曲折带状线慢波结构和输入输出端中间添加渐变型阻抗匹配端的方式，实现了调节慢波结构的输入阻抗，大大降低了慢波结构与输入输出端相连接的不连续性，有效减小了电磁波由输入端传至慢波结构以及由慢波结构传至输出端时的反射，改善了慢波系统的传输特性，并有效抑制了返波震荡，使得电磁信号在行波管中的传输更为高效。

(2)、本发明中采用脊高度连续变化的波导脊加载矩形波导，相比于传统的采用切比雪夫变换的脊波导，其传输特性更好，更容易与本发明中的慢波结构进行阻抗匹配。

(3)、本发明摒弃了微带结构中的介质基底，转而使用两根介质杆夹持金属线，使得金属线近似于出于悬空状态。

附图说明

图1是本发明一种平面角度对数曲折的带状慢波系统原理图；

图2是带状慢波结构的金属线部分的径向尺寸分布图；

图3是带状慢波结构的金属线部分的角度分布图；

图4是带状慢波结构的介质支撑杆的俯视图及其纵向尺寸分布图；

图5是带状慢波结构的介质支撑杆的前视图及其高度尺寸分布图；

图6是脊波导输入端中内部金属部分的仰视图；

图7是脊波导输入端中内部金属部分的右视图；

图8是脊波导输入输出端中真空腔体的结构尺寸图；

图9是脊波导输出端中内部金属部分的仰视图；

图10是冷腔传输特性仿真结果图。

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。

实施例

图1是本发明一种平面角度对数曲折的带状慢波系统原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种平面角度对数曲折的带状慢波系统，包括：连接输入、输出端的带状慢波结构；

带状慢波结构包括平面角度对数曲折带状线、第一匹配端、第二匹配端和介质夹持杆；

其中，平面角度对数曲折带状线是以某一恒定角度截取平面对数螺旋线，并在交错位置处以交错对齐方式添加半圆弧，以半圆弧连接截取掉的线段而成；其中，添加的半圆弧满足距离平面角度对数曲折带状线的径向中心线的距离最小；

第一匹配端是以平面对数螺旋线的中心为圆心，作4个同心圆，其半径由大到小排列依次为ra_1、ra_2、ra_3、ra_4，然后分别使用圆心角θ_1、θ_2、θ_3、θ_4依次在4个圆上截取四段圆弧，并在交错位置处以交错对齐方式添加半圆弧，以半圆弧连接截取掉的线段而成；

第二匹配端的获取方式为，以平面螺旋线的中心为圆心，作4个同心圆，其半径由小到大排列依次为rb_1、rb_2、rb_3、rb_4，然后分别使用圆心角θ_1、θ_2、θ_3、θ_4依次在4个圆上截取四段圆弧，并在交错位置处以交错对齐方式添加半圆弧，以半圆弧连接截取掉的线段而成；

在本实施例中，如图2所示，r1～r41为平面角度对数曲折带状线中各同心圆弧的半径，其中，r1＝18,当n取值为1到40时，r(n+1)＝exp(0.00149*2*π)*r(n)。drg_a1为第一匹配端中最靠近平面角度对数曲折带状线且圆心与其中心重合的圆弧半径与平面角度对数曲折带状线第一根圆弧的半径之差，drg_a2为第一匹配端中最靠近平面角度对数曲折带状线且圆心与其中心重合的圆弧半径与该匹配段中与其同心且最靠近它的圆弧的半径之差，以此类推，可以得到drg_a3,drg_a4,drg_b1,drg_b2,drg_b3,drg_b4的含义；在本实施例中，这些参数满足如下关系：drg_a4＝1.5*drg_a3＝(1.5^2)*drg_a2＝(1.5^3)*drg_a1＝1.01；drg_b4＝drg_a4；drg_b3＝1.5*drg_b2＝(1.5^2)*drg_b1＝0.9。

如图3所示，θ_0＝4.8°为平面角度对数曲折带状线统一采用的截取角度，匹配端中的同心圆弧，按照其距离平面角度对数曲折带状线的距离为次序，由近到远其对应的角度分别为：θ_1，θ_2，θ_3，θ_4在本实施例中的角度关系为θ_4＝0.8*θ_3＝(0.8^2)*θ_2＝(0.8^3)*θ_1＝(0.8^4)*θ_0。

介质夹持杆包括两根直四棱柱介质杆和四根直五棱柱介质杆；其中，以平面角度对数曲折带状线的径向中心线为参考，在平面角度对数曲折带状线两侧外侧处分别对称安装一根直四棱柱介质杆，用于支持平面角度对数曲折带状线；在第一匹配端和第二匹配端两侧外侧处分别对称安装一根直五棱柱介质杆，用于调节系统的阻抗；其中，直四棱柱介质杆的某一面必须和平面角度对数曲折带状线所在面平行；所述直五棱柱介质杆的面积最大侧面必须和平面角度对数曲折带状线所在面平行；

在本实施例中，如图4所示，l_1是第一、第二匹配端中的介质夹持杆的纵向长度，l_2是平面角度对数曲折带状线中的介质夹持杆的纵向长度，e_1是第一、第二匹配端中的介质夹持杆的横向宽度，e_2是平面角度对数曲折带状线中的介质夹持杆的横向宽度，d_1是第一、第二匹配端中两根介质夹持杆的横向距离，d_2是平面角度对数曲折带状线中的介质夹持杆的横向距离。

如图5所示，h_1表示第一、第二匹配端中介质夹持杆的小头高度，h_2表示第一、第二匹配端中介质夹持杆大头的高度，h_3表示平面角度对数曲折带状线中介质夹持杆的高度。

输入、输出端结构相同，均包括矩形波导、波导脊以及连接波导脊与匹配端的连接段；

其中，矩形波导采用Ka波段的标准矩形波导，置于波导脊与连接段的外围；

波导脊的宽度为固定值，其值大于第一匹配端或第二匹配端的线宽度，高度为连续变化，且服从指数变化规律，当脊高度达到最大值后保持一小段高度不变化，从而在波导脊的下表面形成为矩形状截面；

连接段采用一块扁平的直棱柱金属块，底面为六边形，可以看作一个等腰梯形的下底连接着一个矩形；其中，矩形的长边与等腰梯形下底长度相等且二者重合，等腰梯形上底长度是第一匹配端或第二匹配端的线宽度的两倍，下底长度与脊波导的脊宽度相等；

在输入端，第一匹配端与连接段的等腰梯形上底侧连接，且靠等腰梯形的左侧；在输出端，第二匹配端同样与连接段的等腰梯形上底侧连接，但靠等腰梯形的右侧；

如图6所示，rl_1是仰视图中连接段与脊最矮点的距离，rl_2是连接段中在与导波方向垂直的方向上宽度最宽部分的长度，rl_3是连接段在与导波方向垂直的方向上宽度渐变部分在与导波方向平行方向上的长度，rw_1是波导脊宽度，rw_2是连接段中在与导波方向垂直的方向上宽度的最小值，输入输出端内部各包含一条厚度与宽度均与平面角度对数曲折带状线宽度相等的金属线，其长度为le。

如图7所示，rl为脊长度，rh_1为脊高度最大值，rh_2为连接段高度，H是脊高度变化部分脊高度包络曲线，本实施例中，以H中脊高度最高点为坐标原点，以导波方向的反方向为x轴，以铅直向上方向为y轴，则H为函数y(x)＝1.3×exp(19/140×x)，x∈[0，13]的函数表达式曲线。

如图8所示，a_1为其矩形波导内部宽度，b_1为其矩形波导内部高度，c_1为其矩形波导内部长度，a_2为其小矩形波导内部宽度，b_2为其小矩形波导内部高度，c_2为其小矩形波导内部长度。

a_2为其同轴线外壳内部宽度，b_2为其同轴线外壳内部高度，c_2为其同轴线外壳内部长度。、

如图9所示，输出端内部金属线与输入端内部金属线位置上的差异，这是本实施例中输出端与输入端唯一的不同点。

图10是本实施例整体的S参数矩阵仿真结果图。在相当宽的频带内，其反射系数相对于未加匹配端的平面角度对数曲折带状线，降低了3dB～5dB。

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 (4)

1.一种平面角度对数曲折的带状慢波系统，其特征在于，包括：连接输入、输出端的带状慢波结构；

所述的带状慢波结构包括平面角度对数曲折带状线、第一匹配端、第二匹配端和介质夹持杆；

其中，平面角度对数曲折带状线是以某一恒定角度截取平面对数螺旋线，并在交错位置处以交错对齐方式添加半圆弧，以半圆弧连接截取掉的线段而成；

第一匹配端是以平面对数螺旋线的中心为圆心，作4个同心圆，其半径由大到小排列依次为ra_1、ra_2、ra_3、ra_4，然后分别使用圆心角θ_1、θ_2、θ_3、θ_4依次在4个圆上截取四段圆弧，并在交错位置处以交错对齐方式添加半圆弧，以半圆弧连接截取掉的线段而成；

第二匹配端的获取方式为，以平面螺旋线的中心为圆心，作4个同心圆，其半径由小到大排列依次为rb_1、rb_2、rb_3、rb_4，然后分别使用圆心角θ_1、θ_2、θ_3、θ_4依次在4个圆上截取四段圆弧，并在交错位置处以交错对齐方式添加半圆弧，以半圆弧连接截取掉的线段而成；

介质夹持杆包括两根直四棱柱介质杆和四根直五棱柱介质杆；其中，以平面角度对数曲折带状线的径向中心线为参考，在平面角度对数曲折带状线两侧外侧处分别对称安装一根直四棱柱介质杆，用于支持平面角度对数曲折带状线；在第一匹配端和第二匹配端两侧外侧处分别对称安装一根直五棱柱介质杆，用于调节系统的阻抗；

所述的输入、输出端结构相同，均包括矩形波导、波导脊以及连接波导脊与匹配端的连接段；

其中，矩形波导采用Ka波段的标准矩形波导，置于波导脊与连接段的外围；

波导脊的宽度为固定值，其值大于第一匹配端或第二匹配端的线宽度，高度为连续变化，且服从指数变化规律，当脊高度达到最大值后保持一小段高度不变化，从而在波导脊的下表面形成为矩形状截面；

连接段采用一块扁平的直棱柱金属块，底面为六边形，可以看作一个等腰梯形的下底连接着一个矩形；其中，矩形的长边与等腰梯形下底长度相等且二者重合；

在输入端，第一匹配端与连接段的等腰梯形上底侧连接，且靠等腰梯形的左侧；在输出端，第二匹配端同样与连接段的等腰梯形上底侧连接，但靠等腰梯形的右侧。

2.根据权利要求1所述的一种平面角度对数曲折的带状慢波系统，其特征在于，所述的平面角度对数曲折带状线中，添加的半圆弧满足距离平面角度对数曲折带状线的径向中心线的距离最小。

3.根据权利要求1所述的一种平面角度对数曲折的带状慢波系统，其特征在于，所述直四棱柱介质杆的某一面必须和平面角度对数曲折带状线所在面平行；所述直五棱柱介质杆的面积最大侧面必须和平面角度对数曲折带状线所在面平行。

4.根据权利要求1所述的一种平面角度对数曲折的带状慢波系统，其特征在于，所述的连接段中，等腰梯形上底长度是第一匹配端或第二匹配端的线宽度的两倍，下底长度与脊波导的脊宽度相等。