CN108428608B - 一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，涉及径向束行波管慢波系统技术领域，本发明包括设置于金属腔体内的角度对数金属曲折慢波线、用于支撑角度对数金属曲折慢波线的介质支撑杆组和横截面呈等腰梯形的加载翼片，加载翼片设置于金属腔体内并且与金属腔体相连，所述加载翼片与角度对数金属曲折慢波线在竖直方向上平行设置，且加载翼片的长度与角度对数金属曲折慢波线的径向长度一致，本发明在角向夹持角度对数慢波结构行波管的基础上采用翼片加载的方式，对行波管的工作带宽进行有效扩展。

Description

一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构

技术领域

本发明涉及径向束行波管慢波系统技术领域，具体为应用于径向束行波管的注波互作用系统，更具体的是涉及一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构。

背景技术

行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管，在行波管中，电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用，在长达6～40个波长的慢波电路中电子注连续不断地把动能交给微波信号场，从而使信号得到放大，行波管让电子穿过一个长慢波结构，由于作用时间长，增益很高，同时没有谐振腔，工作带宽大大增加，行波管的作用在于将微波信号放大，待放大的微波信号经输入能量耦合器进入慢波电路，并沿慢波电路行进，电子与行进的微波场进行能量交换，使微波信号得到放大。

毫米波行波管因具有工作频带宽、互作用效率高等特点，在卫星通信系统、电子对抗等很多微波系统中占据了重要地位。随着行波管工作频率的增加，其尺寸不断减小，传统的加工方式受到限制，采用微细加工技术进行行波管的加工应运而生，为了适应新的加工方式，平面结构的慢波系统逐渐发展起来，例如平面螺旋线慢波系统、角度对数曲折慢波系统等，其中角向夹持的角度对数曲折慢波结构的径向束行波管具有工作电压低、体积小、易加工等特点，并且采用角向夹持的径向对数曲折慢波线可以有效地耐受电子束轰击，提升了径向注行波管的工作稳定性和可靠性，但是现有的角向夹持的角度对数曲折慢波结构行波管的工作带宽具有一定的局限性，因此，在角向夹持的角度对数曲折慢波线的基础上研究出工作带宽较宽的径向束行波管是很有必要的。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有的角向夹持的角度对数曲折慢波结构行波管的工作频带具有一定局限性的问题，本发明提供一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，在角向夹持角度对数慢波结构行波管的基础上采用翼片加载的方式，对行波管的工作带宽进行有效扩展。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，包括设置于金属腔体内的角度对数金属曲折慢波线和用于支撑角度对数金属曲折慢波线的介质支撑杆组，其特征在于：还包括横截面呈等腰梯形的加载翼片，所述加载翼片设置于金属腔体内并且与金属腔体相连，所述加载翼片与角度对数金属曲折慢波线在竖直方向上平行设置，且加载翼片的长度与角度对数金属曲折慢波线的径向长度一致。

进一步的，所述加载翼片的形成方法，包括以下步骤：

S1、将角度对数金属曲折慢波线输入输出端一侧的连线延长至与另一侧连线的延长线相交，得到中心O，所述加载翼片与角度对数金属曲折慢波线共用同一个中心O，从中心O发射出两条关于径向对称的夹角为θ_ridge＝1°～2.5°的射线，用角度对数金属曲折慢波线的首段对数曲折线截断所述的两条射线，得到截点a和截点b；

S2、用角度对数金属曲折慢波线的尾段对数曲折线截断所述的两条射线，得到截点c和截点d；

S3、将截点a、截点b、截点c和截点d用直线连接，得到加载翼片呈等腰梯形的横截面；

S4、纵向拉伸横截面，使加载翼片的厚度范围为t_ridge＝0.1～0.2mm，得到加载翼片。

进一步的，所述加载翼片与角度对数金属曲折慢波线表面的垂直距离为h＝0.3～0.4mm。

进一步的，所述角度对数金属曲折慢波线为对数螺旋线截取角度θ后得到的对数曲折线通过首尾依次连接的方式构成的平面曲折慢波线，且相邻两条对数曲折线在直角连接处设有倒角，并且角度对数金属曲折慢波线的两端分别延长，接近首段对数曲折线的延长段形成输入内导体，接近尾段对数曲折线的延长段形成输出内导体。

进一步的，所述角度对数金属曲折慢波线的每一条对数曲折线的截面为矩形，矩形截面的厚度范围为t＝0.05～0.2mm，宽度范围为W＝0.05～0.1mm，所述倒角的尺寸为1.6×W×sin(π/4)×45°，所述输入内导体和输出内导体的长度均为L_l＝0.5～3mm。

进一步的，所述金属腔体上同侧的左右两端分别设有输入端口和输出端口，输入端口和输出端口均与金属腔体的内部连通，并且输入内导体的几何中心与输入端口的几何中心重合，输出内导体的几何中心与输出端口的几何中心重合。

进一步的，所述输入端口与输出端口均为边长L_port＝0.5～1.5mm的正方形。

进一步的，所述介质支撑杆组包括位于角度对数金属曲折慢波线输入输出端一侧的介质支撑杆一和位于角度对数金属曲折慢波线输入输出端另一侧的介质支撑杆二，介质支撑杆一和介质支撑杆二的一侧分别与角度对数金属曲折慢波线连接，另一侧分别与金属腔体的内侧壁连接，介质支撑杆组用于支撑角度对数金属曲折慢波线，并避免角度对数金属曲折慢波线与金属腔体接触。

进一步的，所述介质支撑杆一和介质支撑杆二局部金属化，具体为：与金属腔体的内壁接触的一侧进行金属化，与角度对数金属曲折慢波线接触的部分进行金属化，其他不接触的部分不进行金属化，局部金属化后的介质支撑杆一和介质支撑杆二能够起到角度对数金属曲折慢波线与金属腔体的绝缘作用，同时确保角度对数金属曲折慢波线各倒角之间的绝缘。

进一步的，所述介质支撑杆一和介质支撑杆二的厚度与角度对数金属曲折慢波线的厚度相同，宽度W_bar＝0.1～1mm，介质支撑杆一的长度L_bar1＝L-(0.1～0.3)mm，介质支撑杆二的长度L_bar2＝L-2W，其中L为角度对数金属曲折慢波线的总长度。

进一步的，所述金属腔体内设置有提供覆盖角度对数金属曲折慢波线的扇形径向电子束的理想阴极，所述理想阴极设置于角度对数金属曲折慢波线的首段对数曲折线一侧，扇形径向电子束与角度对数金属曲折慢波线之间的垂直间距范围为0.02～0.2mm，扇形径向电子束的厚度为t_cathode＝0.2mm。

本发明的工作原理如下：

一定频率的电磁波通过输入端口馈入慢波系统，沿角度对数金属曲折慢波线传播，在传播过程中，电磁波的径向分量电场与具有一定直流功率的扇形径向电子束进行持续的能量交换，使电子束的直流功率传递给沿角度对数金属曲折慢波线传输的电磁场，使其得到放大，放大后的电磁波通过输出端口馈入到负载(或天线)等微波器件，而设置加载翼片可以在电磁波的传递过程中，使电磁波的归一化相速变平缓，色散变弱，从而扩展行波管的工作带宽。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过增加设置于金属腔体内且与金属腔体连接的横截面呈等腰梯形的加载翼片，使加载翼片与角度对数金属曲折慢波线在竖直方向上平行设置，且长度与角度对数金属曲折慢波线的径向长度一致，可以使输入的电磁波在传递过程中，归一化相速变平缓，色散变弱，从而有效扩展行波管的工作带宽。

2、本发明的加载翼片的截面成等腰梯形，且六个外表面均为平面结构，相对于具有弧度的翼片来说，生产加工更加容易，制备工艺简单，效率更高。

3、本发明通过设置加载翼片，明显降低了慢波结构的最优工作电压，在行波管低电压的发展方向上有一定借鉴意义。

附图说明

图1是本发明实施例1的整体结构示意图。

图2是图1中加载翼片与金属腔体的位置关系俯视图。

图3是本发明实施例2的整体结构示意图。

图4是图3中加载翼片与金属腔体的位置关系俯视图。

图5是本发明实施例3的整体结构示意图。

图6是图5中加载翼片与金属腔体的位置关系俯视图。

图7是本发明实施例4的整体结构示意图。

图8是图7中加载翼片与金属腔体的位置关系俯视图。

图9是本发明加载翼片的结构示意图。

图10是本发明加载翼片的形成示意图。

图11是本发明实施例2的局部剖视图。

图12是本发明介质支撑杆组与角度对数金属曲折慢波线的俯视图。

图13是本发明角度对数金属曲折慢波线的单周期构成示意图。

图14是本发明角度对数金属曲折慢波线的俯视图。

图15是本发明介质支撑杆一的结构示意图。

图16是本发明金属腔体的前视图。

图17是无翼片加载的慢波结构在5450V工作电压下的输出功率图。

图18是无翼片加载的慢波结构在5450V工作电压下的增益与电子效率走势图。

图19是实施例5在工作电压5250V下的输出功率走势图。

图20是实施例5在工作电压5250V下的增益与电子效率走势图。

图21是无翼片加载的慢波结构在工作电压5250V下的输出功率走势图。

图22是无翼片加载的慢波结构在工作电压5250V下的增益与电子效率走势图。

附图标记：1、金属腔体；2、加载翼片；3、薄翼片；4、T型翼片；5、理想阴极；6、介质支撑杆一；7、介质支撑杆二；8、角度对数金属曲折慢波线；9、输入内导体；10、输出内导体；11、输出端口；12、输入端口。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，包括设置于金属腔体1内的角度对数金属曲折慢波线8、用于支撑角度对数金属曲折慢波线8的介质支撑杆组和横截面呈等腰梯形的加载翼片2，所述加载翼片2为一个，设置于金属腔体1内并且与金属腔体1相连，所述加载翼片2平行设置于角度对数金属曲折慢波线8在正上方，且加载翼片2的长度与角度对数金属曲折慢波线8的径向长度一致，加载翼片2与金属腔体1焊接，实现翼片加载的功能，扩展慢波结构的带宽。

如图9和图10所示，所述加载翼片2的形成方法，包括以下步骤：

S1、将角度对数金属曲折慢波线8输入输出端一侧的连线延长至与另一侧连线的延长线相交，得到中心O，所述加载翼片2与角度对数金属曲折慢波线8共用同一个中心O，从中心O发射出两条关于径向对称的夹角为θ_ridge＝1°～2.5°的射线，用角度对数金属曲折慢波线8的首段对数曲折线截断所述的两条射线，得到截点a和截点b；

S2、用角度对数金属曲折慢波线8的尾段对数曲折线截断所述的两条射线，得到截点c和截点d；

S3、将截点a、截点b、截点c和截点d用直线连接，得到加载翼片2呈等腰梯形的横截面；

S4、纵向拉伸横截面，使加载翼片2的厚度范围为t_ridge＝0.1～0.2mm，得到加载翼片2。

所述加载翼片2与角度对数金属曲折慢波线8表面的垂直距离为h＝0.3～0.4mm。

本实施例通过增加设置于金属腔体1内且与金属腔体1连接的横截面呈等腰梯形的加载翼片2，使加载翼片2与角度对数金属曲折慢波线8在竖直方向上平行设置，且长度与角度对数金属曲折慢波线8的径向长度一致，可以使输入的电磁波在传递过程中，归一化相速变平缓，色散变弱，从而有效扩展行波管的工作带宽。

实施例2

如图3和图4所示，本实施例在实施例1的基础之上进一步优化，具体是：

所述加载翼片2为两个，两个加载翼片2一上一下平行设置于角度对数金属曲折慢波线8的上下两侧。

实施例3

如图5和图6所示，本实施例在实施例2的基础之上进一步优化进一步优化，具体是：

所述加载翼片2为多个，并且多个加载翼片2排列形成薄翼片3。

实施例4

如图7和图8所示，本实施例在实施例2的基础之上进一步优化，具体是：

所述加载翼片2通过竖直连接板与金属腔体1的内壁连接，且加载翼片2与竖直连接板构成T型翼片4。

实施例5

本实施例在实施例2的基础之上进一步优化，具体是：

如图13所示，角度对数金属曲折慢波线8的形成过程如下：

对数螺旋的定义为：其中，b＝14～18mm为表征对数螺旋线起始半径的参数，p＝0.0012～0.0022为表征对数螺旋线线圈之间间隔大小的参数，在本实施例中，角度对数金属曲折慢波线8的扫掠角度为θ，因此，首段角度对数螺旋线的定义为：其中首段。第2段角度对数螺旋线的定义为：其中，的取值与第一段角度对数螺旋线相同，为：图13中，首段和第2段角度对数螺旋线的端点分别是①、②和③、④，点⑤为3段角度对数螺旋线的起点，公式为：R₃＝be^4πp。使用线段依次首尾连接以上5个点构成角度对数螺旋线的一个周期。第3段至第n段角度对数螺旋线的建立依次类推，通用公式为：其中使用同样的连接方式，构成角度对数金属曲折慢波线8，如图14所示，本实施例中，n＝50。

如图11和图12所示，所述角度对数金属曲折慢波线8为对数螺旋线截取角度θ后得到的对数曲折线通过首尾依次连接的方式构成的平面曲折慢波线，且相邻两条对数曲折线在直角连接处设有倒角，并且角度对数金属曲折慢波线8的两端分别延长，接近首段对数曲折线的延长段形成输入内导体9，接近尾段对数曲折线的延长段形成输出内导体10。

如图14所示，所述角度对数金属曲折慢波线8的每一条对数曲折线的截面为矩形，矩形截面的厚度范围为t＝0.05～0.2mm，宽度范围为W＝0.05～0.1mm，所述倒角的尺寸为1.6×W×sin(π/4)×45°，所述输入内导体9和输出内导体10的长度均为L_l＝0.5～3mm。

如图16所示，所述金属腔体1上同侧的左右两端分别设有正方形的输入端口12和输出端口11，输入端口12和输出端口11均与金属腔体1的内部连通，并且输入内导体9的几何中心与输入端口12的几何中心重合，输出内导体10的几何中心与输出端口11的几何中心重合，输入端口12和输出端口11的边长L_port＝0.5～1.5mm。

所述介质支撑杆组包括位于角度对数金属曲折慢波线8输入输出端一侧的介质支撑杆一6和位于角度对数金属曲折慢波线8输入输出端另一侧的介质支撑杆二7，介质支撑杆一6和介质支撑杆二7的一侧分别与角度对数金属曲折慢波线8焊接，另一侧分别与金属腔体1的内壁焊接，从而实现对角度对数金属曲折慢波线8的支撑，且介质支撑杆一6和介质支撑杆二7的材质为氧化铍或氮化硼陶瓷，且介质支撑杆一6和介质支撑杆二7的厚度与角度对数金属曲折慢波线8的厚度t相同。

所述介质支撑杆一6和介质支撑杆二7局部金属化，具体为：与金属腔体1的内壁接触的一侧进行金属化，与角度对数金属曲折慢波线8接触的部分进行金属化，其他不接触的部分不进行金属化。

如图15所示，所述介质支撑杆一6和介质支撑杆二7的厚度与角度对数金属曲折慢波线8的厚度相同，宽度W_bar＝0.1～1mm，介质支撑杆一6的长度L_bar1＝L-(0.1～0.3)mm，介质支撑杆二7的长度L_bar2＝L-2W，其中L＝W+b(e^2nπp-1)为角度对数金属曲折慢波线8的总长度。

所述金属腔体1内设置有提供覆盖角度对数金属曲折慢波线8的扇形径向电子束的理想阴极5，所述理想阴极5设置于角度对数金属曲折慢波线8的首段对数曲折线一侧，扇形径向电子束与角度对数金属曲折慢波线8之间的垂直间距范围为0.02～0.2mm，扇形径向电子束的厚度为t_cathode＝0.2mm。

对实施例5的慢波结构进行仿真，测得带有加载翼片2的慢波结构的最优工作电压为5250V，保持其他结构不便，对去掉加载翼片2的慢波结构进行仿真，测得无加载翼片2的慢波结构的最优工作电压为5450V，对比可得，通过增加加载翼片2，能够降低慢波结构的最优工作电压值，在行波管低电压的发展方向上有一定的借鉴意义。

实验一：在实施例5的基础之上，当工作电压为5250V，输入功率为15W时，34～41GHz范围内的输出功率如图19所示，电子效率及增益如图20所示，在39GHz处输出功率达到最大，为136.3W，增益为9.6dB，电子效率为5.6％，当增益在3dB时，工作带宽达到5GHz；

实验二：保持实验一的结构参数不变，去掉加载翼片2，当工作电压为5250V，输入功率为15W时，34～41GHz范围内的输出功率如图21所示，电子效率及增益如图22所示，在39GHz处输出功率达到最大，为87.94W，增益为7.6dB，电子效率为5.16％，增益在3dB时，工作带宽为3GHz；

实验三：保持实验一的结构参数不变，去掉加载翼片2，当工作电压为5450V，输入功率为15W时，34～41GHz范围内的输出功率如图17所示，电子效率及增益如图18所示，在39GHz处输出功率达到最大，为104.6W，增益为8.4dB，电子效率为5.9％，增益在3dB时，工作带宽为3GHz；

对比实验一与实验二的数据可得，在工作电压相同的情况下，增加加载翼片2能够有效展宽慢波系统的工作带宽；

对比实验一与实验三的数据可得，有加载翼片2的慢波结构与没有加载翼片2的慢波结构在各自的最优工作电压下，增加加载翼片2也能够有效展宽慢波系统的工作带宽。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，包括设置于金属腔体(1)内的角度对数金属曲折慢波线(8)和用于支撑角度对数金属曲折慢波线(8)的介质支撑杆组，其特征在于：还包括长度方向横截面呈等腰梯形的加载翼片(2)，所述加载翼片(2)设置于金属腔体(1)内并且与金属腔体(1)相连，所述加载翼片(2)与角度对数金属曲折慢波线(8)在竖直方向上平行设置，且加载翼片(2)的长度与角度对数金属曲折慢波线(8)的径向长度一致。

2.根据权利要求1所述的一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，其特征在于：所述加载翼片(2)与角度对数金属曲折慢波线(8)表面的垂直距离为h＝0.3～0.4mm。

3.根据权利要求1所述的一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，其特征在于：所述角度对数金属曲折慢波线(8)为对数螺旋线截取角度θ后通过首尾依次连接构成的平面曲折慢波线，且相邻两条对数曲折线在直角连接处设有倒角，并且角度对数金属曲折慢波线(8)的两端分别延长，接近首段对数曲折线的延长段形成输入内导体(9)，接近尾段对数曲折线的延长段形成输出内导体(10)。

4.根据权利要求3所述的一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，其特征在于：所述角度对数金属曲折慢波线(8)的每一条对数曲折线的截面为矩形，矩形截面的厚度范围为t＝0.05～0.2mm，宽度范围为W＝0.05～0.1mm，所述倒角的尺寸为1.6×W×sin(π/4)×45°，所述输入内导体(9)和输出内导体(10)的长度均为L_l＝0.5～3mm。

5.根据权利要求3所述的一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，其特征在于：所述金属腔体(1)上同侧的左右两端分别设有输入端口(12)和输出端口(11)，输入端口(12)和输出端口(11)均与金属腔体(1)的内部连通，并且输入内导体(9)的几何中心与输入端口(12)的几何中心重合，输出内导体(10)的几何中心与输出端口(11)的几何中心重合。

6.根据权利要求1所述的一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，其特征在于：所述介质支撑杆组包括位于角度对数金属曲折慢波线(8)输入输出端一侧的介质支撑杆一(6)和位于角度对数金属曲折慢波线(8)输入输出端另一侧的介质支撑杆二(7)，介质支撑杆一(6)和介质支撑杆二(7)的一侧分别与角度对数金属曲折慢波线(8)连接，另一侧分别与金属腔体(1)的内侧壁连接。

7.根据权利要求6所述的一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，其特征在于：所述介质支撑杆一(6)和介质支撑杆二(7)局部金属化，具体为：与金属腔体(1)的内壁接触的一侧进行金属化，与角度对数金属曲折慢波线(8)接触的部分进行金属化，其他不接触的部分不进行金属化。

8.根据权利要求6所述的一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，其特征在于：所述介质支撑杆一(6)和介质支撑杆二(7)的厚度与角度对数金属曲折慢波线(8)的厚度相同，宽度W_bar＝0.1～1mm，介质支撑杆一(6)的长度L_bar1＝L-(0.1～0.3)mm，介质支撑杆二(7)的长度L_bar2＝L-2W，其中L为角度对数金属曲折慢波线(8)的总长度，W为角度对数金属曲折慢波线(8)的每一条对数曲折线的矩形截面的宽度。

9.根据权利要求1所述的一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构，其特征在于：所述金属腔体(1)内设置有提供覆盖角度对数金属曲折慢波线(8)的扇形径向电子束的理想阴极(5)，所述理想阴极(5)设置于角度对数金属曲折慢波线(8)的首段对数曲折线一侧，扇形径向电子束与角度对数金属曲折慢波线(8)之间的垂直间距范围为0.02～0.2mm，扇形径向电子束的厚度为t_cathode＝0.2mm。

10.基于权利要求1所述的一种翼片加载的角向夹持的角度对数曲折慢波线慢波结构的制备方法，其特征在于，包括加载翼片(2)的形成方法，所述加载翼片(2)的形成方法包括以下步骤：

S1、将角度对数金属曲折慢波线(8)输入输出端一侧的连线延长至与另一侧连线的延长线相交，得到中心O，所述加载翼片(2)与角度对数金属曲折慢波线(8)共用同一个中心O，从中心O发射出两条关于径向对称的夹角为θ_ridge＝1°～2.5°的射线，用角度对数金属曲折慢波线(8)的首段对数曲折线截断所述的两条射线，得到截点a和截点b；

S2、用角度对数金属曲折慢波线(8)的尾段对数曲折线截断所述的两条射线，得到截点c和截点d；

S3、将截点a、截点b、截点c和截点d用直线连接，得到加载翼片(2)呈等腰梯形的横截面；

S4、纵向拉伸横截面，使加载翼片(2)的厚度范围为t_ridge＝0.1～0.2mm，得到加载翼片(2)。