CN108470665B - 一种平面多通道慢波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面多通道慢波结构，通过在介质底板上加工四条传输方向相同、依次排列并平行对齐的金属慢波线，同时加载相同的工作电压，并使用同一电子注。其中，两两相同的慢波线采用首尾连接进行串联，组成两组串联的金属慢波线，这样每组串联的金属慢波线中，将放大后的电磁波信号会回传给注波互作用起始的地方即电子束减速前的位置，再次进行注波互作用达到进一步放大电磁信号的目的，从而显著提高增益。同时，由于两组串联的金属慢波线工作在连续的不同频段，因此在不影响注波互作用效率的前提下可以明显提高工作带宽。相对于使用多个行波管的方案，本发明平面多通道慢波结构可以大大减小设备体积。
Description
技术领域
本发明属于真空电子器件技术领域，更为具体地讲，涉及行波管、速调管等真空电子器件中的一种平面多通道慢波结构。
背景技术
真空电子器件是一类利用高能电子注与电磁波信号互作用后将高能电子注动能转化为电磁波能量的功率放大器件，包括行波管、速调管、返波管、回旋管等。慢波结构是行波管的核心部件，其结构决定了行波管的主要工作性能。在慢波结构中，电磁波相速度小于真空中光速。通过合适的电子枪可以将电子束加速到略大于电磁波相速度，此时电子发生切伦科夫辐射，将能量交给电磁波，达到电磁波功率放大的目的，这就是行波管的基本工作原理。行波管在大功率、高频率微波器件领域有难以取代的优势。
在近些年来，随着军用和民用科技的发展，对高频率、高功率器件的需求越来越迫切，小型化、高功率、宽频带、高效率成为了行波管的主要发展趋势。随着工作频率的提高，慢波结构的尺寸也在逐渐减小，相应的整个慢波结构的功率容量会受到一定限制，并且现如今的精细加工技术的局限性也成为了限制行波管发展的关键因素之一。
在高频率电真空微波器件的发展过程中，高功率、宽频带、易于加工一直是研究者所追寻的目标。由于平面加工技术，即电路板刻蚀加工相对较为成熟，易于设计和加工实现，因此平面慢波结构得到关注。
平面慢波结构由金属慢波线和介质板或介质夹持杆组成，不同以往螺旋线等三维慢波结构，平面金属慢波线拥有尺寸小、易于散热、易于加工的优点，同时其色散特性决定了较小的归一化相速度，这意味着使用较小的工作电压(5000V甚至更低)就可以实现信号放大。
然而，在现有的平面慢波结构中，工作带宽和增益不可兼得等问题还没有得到很好的解决。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种平面多通道慢波结构，以提高平面慢波结构的工作带宽和增益。
为实现上述发明目的，本发明平面多通道慢波结构，包括：
一片金刚石、硅、或二氧化硅等介质底板；
其特征在于，还包括：
四条传输方向相同、依次排列并平行对齐的金属慢波线，通过蚀刻、焊接等方式加工在介质底板上，这些金属慢波线具有相同或者相近的工作电压和增益，使用同一个电子注；
其中，第一、第二条慢波线相同，工作在同一频段即第一频段，第一条慢波线的微波输出端口与第二条慢波线微波输入端口相连接，第三、第四条慢波线相同，工作在与另一同一频段即第二频段，第三条慢波线的微波输出端口与第四条慢波线微波输入端口相连接；第一、第二频段为连续的不同频段即一个频段的下限是另一个频段的上限；
待放大电磁波信号分别同时输入到第一、三金属慢波线的微波输入端口，经过放大的电磁波信号从第二、四金属慢波线的微波输出端口输出，然后合成一路放大的电磁波信号。
本发明的目的是这样实现的。
本发明平面多通道慢波结构，通过在介质底板上加工四条传输方向相同、依次排列并平行对齐的金属慢波线，同时加载相同的工作电压，并使用同一电子注。其中，两两相同的慢波线采用首尾连接进行串联，组成两组串联的金属慢波线，这样每组串联的金属慢波线中，将放大后的电磁波信号会回传给注波互作用起始的地方即电子束减速前的位置，再次进行注波互作用达到进一步放大电磁信号的目的，从而在较小的平面集成空间内实现电磁波的多级放大，和现有平面慢波结构相比可以显著提高增益，并且是压缩在单管内实现。本发明避免了高增益需求中多管多级放大(高成本大体积)，也不需要电子再加速装置，在成倍减少纵向长度的同时，仅仅使用单管单电子注就能实现电磁信号的高增益。同时，由于两组串联的金属慢波线工作在连续的不同频段，因此在不影响注波互作用效率的前提下可以明显提高工作带宽。相对于使用多个行波管的方案，本发明平面多通道慢波结构可以大大减小设备体积。
此外，本发明平面多通道慢波结构还具有：尺寸小易于加工的特点，较低的工作电压意味着较小的电源装置，这对于整个系统小型化也具有现实意义。
附图说明
图1是本发明平面多通道慢波结构一种具体实施方式结构示意图。
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是本发明平面多通道慢波结构一种具体实施方式结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，平面多通道慢波结构，包括介质底板1、四条传输方向相同、依次排列并平行对齐的金属慢波线2，四条传输方向相同的金属慢波线2通过蚀刻、焊接等方式加工在介质底板1上，这些金属慢波线2具有相同或者相近的工作电压，使用同一个带状电子注3。
其中，第一、第二条金属慢波线即两条紧邻的两条U形金属慢波线相同，工作在同一频段即第一频段即12～20GHz，第一条金属慢波线的微波输出端口与第二条金属慢波线微波输入端口(带状电子注发射端处端口)相连接，第三、第四条金属慢波线即紧接着的两头紧邻的两条V形金属慢波线相同，工作在与另一同一频段即第二频段8-12GHz，第三条金属慢波线的微波输出端口与第四条慢波线微波输入端口(带状电子注发射端处端口)相连接；第一、第二频段为连续的不同频段即一个频段的下限是另一个频段的上限。在本实施例中，第一频段12～20GHz，的下限为12GHz是第二频段8-12GHz的上限。
待放大电磁波信号分别同时输入到第一、三金属慢波线的微波输入端口，经过放大的电磁波信号从第二、四金属慢波线的微波输出端口输出，然后合成一路放大的电磁波信号。这样，构成一个8～20GHz的慢波结构。
带状电子注3位于四条金属慢波线2上方，工作时，与金属慢波线2上传输的电磁波信号发生互作用，对电磁波信号进行放大。
在本实施例中，介质底板1为金刚石材料制成，四条金属慢波线2分别为两条V形金属慢波线和两条U形金属慢波线，其中，V形金属慢波线工作在8-12GHz，U形金属慢波线工作在12-20GHz，待放大电磁波信号从从电磁波输入口分别同时输入到V形金属慢波线、U形金属慢波线，对8-12GHz，12-20GHz的电磁波信号进行放大，这样实现了对8-20GHz电磁波信号的放大。可以看出两组串联的金属慢波线工作在不同的频段，两组串联的金属慢波线共用电子枪即带状电子注。由于两组串联的金属慢波线工作在不同频段，这就很大程度上提高了该慢波结构的工作带宽。
同时，通过将两条金属慢波线(也可以更多)串联的方式，突出在较短的纵向长度上使得信号增益明显变大。与现有慢波结构比较的优势：现有慢波结构通过在一定长度上电子速略大于电磁波相速度发生切伦科夫辐射，电子把能量交给电磁波的方式实现电磁波信号的放大，这也是行波管的基本工作原理。但随着电子交出能量，电子速度会减慢，切伦科夫辐射条件将不再满足，电磁波信号将不会一直被放大，因此在单管中纵向电磁波信号的增益是有限制的，这也是现今限制单管增益有效增大的瓶颈问题。本发明可以通过两条(也可以更多)金属慢波线串联的方式，将放大后的电磁波信号回传给注波互作用起始的地方，即电子束减速前的位置，再次进行注波互作用达到进一步放大电磁信号的目的，其本质是在较小的平面集成空间内实现电磁波的多级放大，和现有平面慢波结构相比可以显著提高增益，并且是压缩在单管内实现。
本发明避免了高增益需求中多管多级放大(高成本大体积)，也不需要电子再加速装置，在成倍减少纵向长度的同时，仅仅使用单管单电子注就能实现电磁信号的高增益。
此外，从本实施例，我们可以看出：本发明平面多通道慢波结构易于设计和加工装配，精度高误差小并有利于减少整个慢波结构的体积。带状电子注3在平面多通道慢波结构的上方通过，压缩了该慢波结构的占用空间，同时可以获得较高的耦合阻抗和较高的电子效率。介质底板1采用金刚石，其具有极高的耐热性能和极强的导热能力，这意味着在较小的慢波结构中可以有极高的功率容量。
本发明平面多通道慢波结构，具有广泛的应用前景，在行波管小型化和宽频带设计中具有很明显的实用价值。最明显的应用优势就是：结构易于加工，结构尺寸小，同时增加了慢波结构的工作带宽和增益。
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5明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种平面多通道慢波结构，包括：
一片金刚石、硅、或二氧化硅介质底板；
其特征在于，还包括：
四条传输方向相同、依次排列并平行对齐的金属慢波线，通过蚀刻、焊接方式加工在介质底板上，这些金属慢波线具有相同或者相近的工作电压和增益，使用同一个电子注；
其中，第一、第二条慢波线相同，工作在同一频段即第一频段，第一条慢波线的微波输出端口与第二条慢波线微波输入端口相连接，第三、第四条慢波线相同，工作在与另一同一频段即第二频段，第三条慢波线的微波输出端口与第四条慢波线微波输入端口相连接；第一、第二频段为连续的不同频段即一个频段的下限是另一个频段的上限；
待放大电磁波信号分别同时输入到第一、三金属慢波线的微波输入端口，经过放大的电磁波信号从第二、四金属慢波线的微波输出端口输出，然后合成一路放大的电磁波信号。
2.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述介质底板为金刚石材料制成。
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