CN108648978B - 一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，属于物理电子学技术领域。该结构包括金属背板（4）、介质衬底（3）、周期金属圆柱（2）和平面金属线（1），介质衬底（3）位于金属背板（4）和平面金属线（1）之间，周期金属圆柱（2）嵌于介质衬底（3）内，并分布在平面金属线（1）的周围；平面金属线（1）是由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成的曲折结构；所述周期金属圆柱（2）的高度与介质衬底（3）的厚度或与介质衬底（3）和平面金属线（1）的厚度之和相同。本发明所示结构在保持良好传输性能的基础上，具有低相速、弱色散的优势，可以增加金属覆盖面积、改善介质电荷积累现象，提高输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及行波管放大器件，尤其是一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，属于物理电子学技术领域。
背景技术
功率放大器件可以分为两类，即真空电子器件和固态电子器件。固态电子器件具有电压低、体积小、噪声低、集成度高、适合大规模生产等优点，使其在低频段和中小功率的应用中占据了绝对的优势。然而，在高频（如毫米波甚至太赫兹波段）和大功率的条件下，固态器件的低电压和小体积不再是优势，相反，大电流对器件的引线及工作区带来了严峻的考验。以目前固态器件的发展水平来看，单片微波集成电路（放大器在毫米波频段）的输出功率水平一般在毫瓦级，显然，其功率输出水平难以满足毫米波段对大功率福射源的要求。而毫米波行波管作为真空电子器件中大功率、宽频带和高效率的代表，被广泛应用于卫星通信、高分辨率雷达、电子对抗等领域，是一种非常重要的毫米波功率放大器。
随着行波管工作频率的提升，行波管的尺寸越来越小。微带曲折线行波管是小型化平面行波管的重要代表，如图1它可以采用深反应离子蚀刻技术（DIRE）或光刻等微细加工手段成型，成本低廉，并且可采用带状电子束进行波注互作用，互作用效率高，可以在低工作电压的情况下提供中等水平的功率输出，在军用电子系统及毫米波通信等方面都具有较好的应用前景。
虽然微带曲折线行波管具有一定的优势，但是在使用过程中也存在一些问题。例如，电子注在传输过程中由于电荷排斥力的作用会逐渐发散，由于周期永磁（PPM）聚焦系统的存在，电子注发散现象会受到抑制，但是仍有一部分电子会撞击到微带曲折线慢波结构上，由于金属覆盖率低，电子会在介质衬底上聚集起来，产生介质电荷积累现象，对需要放大的信号产生干扰。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提高传统微带曲折线的性能，提供一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，可增加其金属覆盖面积、改善介质电荷积累现象，降低相速、减少色散，增大工作带宽、提高输出功率。
本发明具体采用以下技术方案：
本发明提供一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，该结构包括金属背板、介质衬底、周期金属圆柱和平面金属线，所述平面金属线由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构，所述平面金属线的形状为U形或V形，所述介质衬底位于金属背板和平面金属线之间，所述周期金属圆柱嵌于介质衬底内，并分布在平面金属线的周围。在该慢波结构的空间外，加上适当磁场结构，并在上方空间注入电子注时，可以与通过微带线传输的电磁波进行能量交换，放大电磁波功率。
上述技术方案具体包括以下两种技术方案：
（一）第一种技术方案
一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，包括金属背板、介质衬底、周期金属圆柱和平面金属线。介质衬底位于金属背板和平面金属线之间；周期金属圆柱嵌于介质衬底内，并分布在平面金属线的周围，周期金属圆柱的高度与介质衬底的厚度相同。
（二）第二种技术方案
一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，包括金属背板、介质衬底、周期金属圆柱和平面金属线。介质衬底位于金属背板和平面金属线之间；周期金属圆柱嵌于介质衬底内，并分布在平面金属线的周围，所述周期金属圆柱的高度与介质衬底和平面金属线的厚度之和相同。
上述两种微带曲折线慢波结构，包括以下各种形式的变形结构：1）周期金属圆柱2的直径全部相同；2）周期金属圆柱2的直径在一个周期内依次递增；3）周期金属圆柱2的直径在一个周期内依次递减；4）周期金属圆柱2的直径在一个周期内依次随机变化。
有益效果
本发明的微带曲折线慢波结构，使得金属覆盖面积显著增加，显著改善介质电荷积累现象，具有低相速、弱色散的优势，增大了工作带宽，提高了输出功率；且仍可以采用现有平面印制技术或微电子工艺进行加工。
附图说明
图1是一种传统微带曲折线慢波结构示意图；
图2是本发明提供的基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构示意图；
图3A和图3B是从图2中虚线处观察所得的两种方案剖面图；
图4是传统微带曲折线慢波结构与本发明提供的两种慢波结构的色散特性对比图；
图5是传统微带曲折线慢波结构与本发明提供的两种慢波结构的耦合阻抗对比图；
图6是传统微带曲折线慢波结构的介质电荷积累图；
图7是本发明提供的第一种方案的慢波结构的介质电荷积累图；
图8是传统微带曲折线慢波结构的波注互作用结果示意图；
图9是本发明提供的第一种慢波结构的波注互作用结果示意图；
其中，平面金属线1
周期金属圆柱2
介质衬底3
金属背板4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
实施方案一：
本发明一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，如图2所示，包括金属背板4、介质衬底3、周期金属圆柱2和平面金属线1，该平面金属线1由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构，所述平面金属线1的形状为U形或V形。介质衬底3位于金属背板4和平面金属线1之间；周期金属圆柱2嵌于介质衬底3内，并分布在平面金属线1的周围，周期金属圆柱2的高度b与介质衬底3的厚度h相同，即b=h，如图3A所示，其为从图2中虚线处观察所得的剖面图。
实施方案二：
一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，如图2所示，包括金属背板4、介质衬底3、周期金属圆柱2和平面金属线1，该平面金属线1由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构，其形状为U形或V形，。介质衬底3位于金属背板4和平面金属线1之间；周期金属圆柱2嵌于介质衬底3内，并分布在平面金属线1的周围，所述周期金属圆柱2的高度b与介质衬底3的厚度h和平面金属线1的厚度t之和相同，即b=h+t，如图3B所示，其为从图2中虚线处观察所得的剖面图。
在确定构成周期金属圆柱2的圆柱直径相同，同时确定上述两种实施方式的相关尺寸（单位：μm）：ε=4、h=50、a=1288、d=100、w=110、ws=112、t=10，（其中，介质衬底3的介电常数为ε，介质衬底3厚度为h，介质衬底3宽度为a，周期金属圆柱2的直径为d，周期金属圆柱2的高度为b，平面金属线1的线宽为w，平面金属线的间距为ws，平面金属线的厚度为t。）得到两种具体的微带曲折线慢波结构，如图2所示。利用CST软件对这两种具体的微带曲折线慢波结构进行性能分析，获得它们的色散特性、耦合阻抗和输出功率等，并与不增加周期金属圆柱2的同尺寸微带曲折线慢波结构（见图1）进行对比，仿真结果如图4、5、6、7、8、9所示。具体地：
从图4中可以看出，相比于传统的微带曲折线慢波结构，本发明的两种微带曲折线慢波结构的色散曲线更加平坦、相速更低，在工作带宽上会有比较大的提升，需要的工作电压也会比较低。
从图5中可以看出，相比于传统的微带曲折线慢波结构，本发明的两种微带曲折线慢波结构的耦合阻抗相对较低，也就意味着波注互作用的增益效果会有一定程度的下降，但是可以通过适当地提高输入功率来弥补。
图6和图7是微带曲折线慢波结构与本发明提供的第一种慢波结构的介质电荷积累比较示意图。可见，传统的微带曲折线慢波结构在波注互作用的过程中由于介质电荷积累效应产生的电压值约为3.5V，如图6所示。从图7中可以看出，其以本发明提供的第一种的微带曲折线慢波结构示意，其介质电荷积累效应产生的电压值只有0.3V。本发明提供的第二种的微带曲折线慢波结构具有近似的介质电荷积累效应。
图8和图9是传统微带曲折线慢波结构与本发明提供的第一种慢波结构的波注互作用结果对比图。从图8中可以看出，在输入功率为25mW时，传统的微带曲折线慢波结构已经达到饱和，输出功率为53W，而对于本发明的第一种微带曲折线慢波结构，如图9所示，输入功率为140mW时达到饱和输出功率66W。从图9中可以看出，相比于传统的微带曲折线慢波结构，本发明的微带曲折线慢波结构输出功率随工作频率的变化曲线更加平坦，工作带宽更宽。本发明提供的第二种慢波结构的波注互作用结果有近似的效果。
综合图4、5、6、7、8、9可知，在同等结构尺寸条件下，本发明的两种微带曲折线慢波结构具有低相速、弱色散的优势，同时增加了金属覆盖面积，显著改善介质电荷积累现象，增大了工作带宽，提高了输出功率。
本发明提出的一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，其构成周期金属圆柱2的圆柱直径还可以不相同，具体为：
A、周期金属圆柱的直径在一个周期内依次递增；
B、周期金属圆柱的直径在一个周期内依次递减；
C、周期金属圆柱的直径在一个周期内依次随机变化。
以上三种方案仍旧具有低相速、弱色散的优势，可以达到增加金属覆盖面积，改善介质电荷积累现象，增大工作带宽，提高输出功率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步地详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于周期金属圆柱的微带曲折线慢波结构，其特征在于，该结构包括金属背板（4）、介质衬底（3）、周期金属圆柱（2）和平面金属线（1），所述平面金属线（1）由多段形状和尺寸相同的平面金属线段首尾相连形成曲折结构，所述平面金属线（1）的形状为U形或V形，所述介质衬底（3）位于金属背板（4）和平面金属线（1）之间，所述周期金属圆柱（2）嵌于介质衬底（3）内，并分布在平面金属线（1）的周围。
2.如权利要求1所述的微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述周期金属圆柱（2）的高度与介质衬底（3）的厚度相同。
3.如权利要求1所述的微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述周期金属圆柱（2）的高度与介质衬底（3）和平面金属线（1）的厚度之和相同。
4.如权利要求1至3中任一项所述的微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述周期金属圆柱（2）的直径相同。
5.如权利要求1至3中任一项所述的微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述周期金属圆柱（2）的直径在一个周期内依次递增。
6.如权利要求1至3中任一项所述的微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述周期金属圆柱（2）的直径在一个周期内依次递减。
7.如权利要求1至3中任一项所述的微带曲折线慢波结构，其特征在于，所述周期金属圆柱（2）的直径在一个周期内依次随机变化。
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