CN108461367B - 一种微带线慢波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带线慢波结构，与常规微带线慢波结构不同，将周期性金属曲折微带线或共面波导悬置起来，这样表面印制有周期性金属曲折微带线或共面波导的介质基板主要起支撑作用，电磁波则主要分布在介质基板上下两侧的真空腔中，周期性金属曲折微带线或共面波导上方将具有较强的纵向电场分布，从而可以获得较大的耦合阻抗，最终提高微带线平面行波管放大器的互作用效率。以Ka波段的一个N型周期性金属曲折微带线慢波结构为例，通过将N型周期性金属曲折微带线悬置，在35GHz处的耦合阻抗提高了86.3％。
Description
技术领域
本发明属于属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及行波管放大器中的一种微带线慢波结构。
背景技术
作为一类重要的微波、毫米波功率源，电真空器件被广泛应用在通信、制导、遥感等技术领域。电真空器件虽然具有高功率、高增益、高效率、高频率和长寿命的优点，但固态功率放大器件体积小，重量轻，可集成的特点，伴随着其快速向高频段、大功率方向发展，正对电真空器件形成越来越大的挑战。如何在保证电真空器件优势的同时，实现小型化，低电压，从而更好地适应科技发展的需求，是微波电真空器件的一个重要发展方向。
微波功率模块结合了电真空功率放大器和固态功率放大器件的优势，非常适合于机载系统、通信卫星等对器件尺寸及重量有着严格要求的应用场景。目前微波功率模块中的电真空功率放大器采用的基本都是螺旋线行波管。螺旋线行波管具有宽频带、高效率及低电压等优势。但在高频段(>65GHz)，螺旋线的加工和装配都变得困难。另外，螺旋线慢波结构为三维结构，难以与固态电路进行集成化设计。这些因素限制了微波功率模块向高频段及集成化方向发展。
微带线平面行波管放大器具有体积小、重量轻和易加工等优势，是取代微波功率模块中的螺旋线行波管的潜在选择之一。微带线平面行波管放大器采用微带线慢波结构作为互作用电路。微带线慢波结构为二维结构，易于与固态电路集成设计；在高频端，平面的微带线慢波结构也易于采用UV-LIGA(紫外线光刻)等微细加工工艺进行加工。这些优势使得微带线慢波结构的平面行波管放大器的应用前景较为广阔。
但微带线慢波结构也存在一些问题：介质基板置于金属屏蔽腔表面，微带线慢波结构传输的电磁波为准TEM波，电磁波主要集中在介质基板中；在微带线上表面的电磁场则以表面波的形式存在，电磁波随着远离微带线的距离成指数衰减。因此，微带线慢波结构上表面的纵向电场较弱。
耦合阻抗是评价慢波结构能否有效与电子注进行互作用的参数，其计算公式如下
其中，Kc为耦合阻抗，Ezm为电子注通过的位置上的纵向电场幅值，P为通过慢波系统的功率流，β为相位常数。
从上式中可以看出，由于常规微带线慢波结构中较弱的纵向电场导致耦合阻抗也较低，最终使得微带线平面行波管放大器的互作用效率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微带线慢波结构，以有效地提高微带线慢波结构的纵向电场幅值，进而较大程度提升微带线慢波结构的耦合阻抗。
为实现上述发明目的，本发明微带线慢波结构，包括：真空的矩形金属屏蔽腔以及表面印制有周期性金属曲折微带线或共面波导的介质基板，其特征在于：
在矩形金属屏蔽腔内侧传输方向两侧开槽，将印制有周期性金属曲折微带线或共面波导的介质基板嵌入槽中，以悬空的方式放置，从而构成一种悬置型微带线慢波结构。
作为进一步的改进，所述矩形金属屏蔽腔内侧纵向两侧上下对称各开有一凹槽；所述印制有周期性金属曲折微带线或共面波导的介质基板为两块，一块嵌入到上两侧的凹槽中，其印制有周期性金属曲折微带线或共面波导的一面朝下，另一块嵌入到下两侧的凹槽中，其印制有周期性金属曲折微带线或共面波导的一面朝上。
本发明的目的是这样实现的。
本发明微带线慢波结构，与常规微带线慢波结构不同，将周期性金属曲折微带线或共面波导悬置起来，这样表面印制有周期性金属曲折微带线或共面波导的介质基板主要起支撑作用，电磁波则主要分布在介质基板上下两侧的真空腔中，将周期性金属曲折微带线或共面波导上方将具有较强的纵向电场分布，从而可以获得较大的耦合阻抗，当电子注从介质基板印制有周期性金属曲折微带线的一侧的上表面通过时，将能够与增强的纵向电场充分互作用，最终提高微带线平面行波管放大器的互作用效率。以Ka波段的一个N型周期性金属曲折微带线慢波结构为例，通过将N型周期性金属曲折微带线悬置，在35GHz处的耦合阻抗提高了86.3％。
同时，进一步采用对称悬空放置的上下条周期性金属曲折微带线的结构，可进一步增强电子注通过位置的纵向电场，从而使得微带线慢波结构的耦合阻抗进一步提升。
另外，为了使得微带线慢波结构有较高的互作用效率，微带线慢波结构一般采用有较大横宽比的带状电子注进行互作用，且带状电子注需尽可能靠近金属微带线表面，这使得基于微带线慢波结构的平面行波管的聚焦系统的设计较为困难，难以在实际的制管过程中实现。通过采用悬置的方式，可以使得在距离微带线表面较远的位置仍然具有较强的纵向电场，使得即使采用圆形电子注也能够有较好的互作用效果，从而可以降低微带线型平面行波管放大器的聚焦磁场的设计难度。
附图说明
图1是本发明微带线慢波结构一种具体实施方式的结构示意图；
图2是图1所示微带线慢波结构纵向以及传输方向剖面结构的尺寸示意图；
图3是本发明微带线慢波结构另一种具体实施方式的结构示意图；
图4是本发明微带线慢波结构与同尺寸的常规微带线慢波结构的色散曲线对比图；
图5是本发明微带线慢波结构与同尺寸的常规微带线慢波结构的耦合阻抗对比图。
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。
图1是本发明微带线慢波结构一种具体实施方式的结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明微带线慢波结构包括真空的矩形金属屏蔽腔1以及表面印制有周期性金属曲折微带线2的介质基板3。
在矩形金属屏蔽腔1内侧纵向(传输方向)两侧开槽即凹槽101，将印制有周期性金属曲折微带线2的介质基板3嵌入槽中即凹槽101中，这样周期性金属曲折微带线2以悬空的方式放置，从而构成一种悬置型微带线慢波结构，电子注(未画出)从位于介质基板3的周期性金属曲折微带线2的上方通过，实现与电磁波的互作用，。
在本实施例中，为了进一步提升耦合阻抗，进行了进一步的改进，如图1所示，即在所述矩形金属屏蔽腔1内侧纵向两侧上下对称各开有一凹槽101；所述印制有周期性金属曲折微带线2的介质基板3为两块，一块嵌入到上两侧的凹槽101中(为清晰展示本发明微带线慢波结构，图中只画出了左侧的凹槽)，其印制有周期性金属曲折微带线2的一面朝下，另一块嵌入到下两侧的凹槽101中，其印制有周期性金属曲折微带线2的一面朝上。
在工作过程中，电子注在两块介质基板3之间通过，且由于两块介质基板3采用悬空的方式放置，这样周期性金属曲折微带线2也以悬空的方式放置，两块介质基板3之间存在较强的纵向电场，这使得耦合阻抗得到较大提升，最终提高微带线型平面行波管放大器的互作用效率。
图2是图1所示微带线慢波结构纵向以及传输方向剖面结构的尺寸示意图。
在本实施例中，如图2所示，本发明微带线慢波结构的尺寸如下：介质基板3的介电常数为ε，介质基板3的厚度为hb，横向长度为a，周期性金属曲折微带线2的周期长度为p，宽度为w，厚度为t，横向长度为b，两块介质基板3间的距离为hd，两块介质基板3距离矩形金属屏蔽腔1上下两侧的高度为hs，离矩形金属屏蔽腔1的宽度为as。
在本实施例中，具体的结构尺寸如下(单位：mm)：hb＝0.2，a＝1.2，p＝0.35，w＝0.035，t＝0.02，b＝0.6，hd＝0.6，hs＝0.4，as＝0.8。
本发明微带线慢波结构，除可采用上下对称两块介质基板放置外，也可采用单一的介质基板悬空放置；印制在介质基板上表面的曲折金属微带线可以为N型，U型，V型及Sine型等。
图3是本发明微带线慢波结构另一种具体实施方式的结构示意图。
印制在介质基板上的金属层除可采用周期性的金属微带线外，也可采用共面波导等其他形式的平面结构。在本实施例中，如图3所示，本发明微带线慢波结构进行变形，将印制在介质基板2上的周期性金属曲折微带线3替换为共面波导的形式。共面波导具有弱色散的特性，将共面波导结构悬空放置后，通过合理的调节各个参数，可以使得该结构在弱色散及高耦合阻抗之间进行较大范围的调节，从而满足各种实际应用的需求。
利用三维电磁仿真软件，采用图2中所示的结构和尺寸，对本发明微带线慢波结构进行仿真计算，得到高频特性参数，并且与相同尺寸的平板型基底的微带线慢波结构(常规微带线慢波结构)进行了对比。
图4是本发明微带线慢波结构与同尺寸的常规微带线慢波结构的色散曲线对比图。
从图4中，我们可以看出，本发明微带线慢波结构的色散曲线较为陡峭，且归一化相速较大。
图5是本发明微带线慢波结构与同尺寸的常规微带线慢波结构的耦合阻抗对比图。
从图5中，我们可以看出，悬本发明微带线慢波结构的耦合阻抗在整个通带范围内均大于常规微带线慢波结构的耦合阻抗。以35GHz为例，常规微带线慢波结构的耦合阻抗为25.15欧姆，而悬置型微带线慢波结构的耦合阻抗为46.99欧姆，提高了86.8％，这将较大程度提高行波管的互作用效率。
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 (1)
1.一种微带线慢波结构，包括：真空的矩形金属屏蔽腔以及表面印制有周期性金属曲折微带线的介质基板，其特征在于：
在矩形金属屏蔽腔内侧传输方向两侧开槽，将印制有周期性金属曲折微带线的介质基板嵌入槽中，以悬空的方式放置，从而构成一种悬置型微带线慢波结构；
电子注从位于介质基板的周期性金属曲折微带线的上方通过，实现与电磁波的互作用；
所述矩形金属屏蔽腔内侧纵向两侧上下对称各开有一凹槽；所述印制有周期性金属曲折微带线的介质基板为两块，一块嵌入到上两侧的凹槽中，其印制有周期性金属曲折微带线的一面朝，另一块嵌入到下两侧的凹槽中，其印制有周期性金属曲折微带线的一面朝上；
所述介质基板的厚度为hb，横向长度为a，周期性金属曲折微带线的周期长度为p，宽度为w，厚度为t，横向长度为b，两块介质基板间的距离为hd，两块介质基板距离矩形金属屏蔽腔上下两侧的高度为hs，矩形金属屏蔽腔的宽度为as，具体的结构尺寸为：hb＝0.2mm，a＝1.2mm，p＝0.35mm，w＝0.035mm，t＝0.02mm，b＝0.6mm，hd＝0.6mm，hs＝0.4mm，as＝0.8mm。
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