CN108682606A - 一种超宽带平面双注慢波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超宽带平面双注慢波结构，包括平面金属慢波线、金属外壳和两根介质支撑杆，平面金属慢波线包含直线段金属线和交错连接这些直线段金属线的曲线金属线；在金属外壳的内层的两个相对的侧面分别设置有延伸段，相邻两个延伸段之间设置有开口；两根介质支撑杆分别固定于金属外壳两侧的内层与外层之间，介质支撑杆的部分侧面从延伸段之间的开口露出，与平面金属慢波线的曲线金属线进行面接触，对平面金属慢波线实现夹持，使平面金属慢波线悬置于金属外壳内腔内，内层每个侧面的每个延伸段分别延伸至平面金属慢波线面向该侧面的对应开口内。本发明可以降低色散特性，在保证大带宽的前提下提高耦合阻抗。
Description
技术领域
本发明属于带状束行波管慢波系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种超宽带平面双注慢波结构。
背景技术
行波管作为一种微波功率器件，具有非常广泛的应用领域，针对不同的应用方式，行波管具有不同的特点。通常来说，行波管的优点有，频带宽、功率大、增益高、效率高、增益大以及寿命长等，但是在绝大多数情况下，一只行波管不能同时具有所有的优点，而是各有所长，具有不同优点的行波管被应用到不同的领域。
慢波结构是为了实现在行波型电子器件中加强运动电子与电磁场的相互作用，使电子流的能量更有效地转换成电磁波的高频能量的装置。慢波结构作为行波管的核心部分，其好坏直接决定着行波管技术水平的优劣。
传统平面慢波结构包括微带型慢波结构和带状慢波结构，其中微带慢波结构的电场能量主要集中于其介质基底中，而且随介质基底的厚度减少和其介电常数的增加而愈加明显，存在传输特性差、带宽窄等缺点；而带状慢波结构的色散与较多结构参数有较大的相关性，在现有的加工条件限制下通常色散较强。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超宽带平面双注慢波结构，通过介质支撑杆和金属外壳内层的改进，可以降低色散特性，在保证大带宽的前提下提高耦合阻抗。
为实现上述发明目的，本发明超宽带平面双注慢波结构，包括平面金属慢波线、金属外壳和两根介质支撑杆，其中：
平面金属慢波线为具有一定横截面积且具有周期性的平面曲线，每个周期包括3根垂直于注波互作用方向的直线段金属线和交错连接上述3根直线段金属线的2根曲线金属线，记周期数为N，记每个周期在注波互作用方向上的长度为p；
金属外壳包括内层和外层，内层用于构成金属外壳内腔，内层的两个相对的侧面分别设置有N个延伸段，相邻两个延伸段中轴线之间的距离为p，相邻两个延伸段之间设置有开口；
两根介质支撑杆分别固定于金属外壳两侧的内层与外层之间，介质支撑杆的部分侧面从延伸段之间的开口露出，与平面金属慢波线的曲线金属线进行面接触，对平面金属慢波线实现夹持，使平面金属慢波线悬置于金属外壳内腔内；
内层每个侧面的每个延伸段分别延伸至平面金属慢波线面向该侧面的对应开口内，延伸段的延伸方向垂直于注波互作用方向；所有延伸段和平面金属慢波线位于同一平面上。
本发明超宽带平面双注慢波结构包括平面金属慢波线、金属外壳和两根介质支撑杆，平面金属慢波线包含直线段金属线和交错连接这些直线段金属线的曲线金属线；在金属外壳的内层的两个相对的侧面分别设置有延伸段，相邻两个延伸段之间设置有开口；两根介质支撑杆分别固定于金属外壳两侧的内层与外层之间，介质支撑杆的部分侧面从延伸段之间的开口露出，与平面金属慢波线的曲线金属线进行面接触，对平面金属慢波线实现夹持，使平面金属慢波线悬置于金属外壳内腔内，内层每个侧面的每个延伸段分别延伸至平面金属慢波线面向该侧面的对应开口内。本发明相对于传统的带状慢波结构具有更弱的色散特性，相对于传统的平面慢波结构，在保证大带宽的前提下具有更高的耦合阻抗。
附图说明
图1是本发明超宽带平面双注慢波结构的具体实施方式结构图；
图2是图1所示超宽带平面双注慢波结构的俯视剖面图；
图3是图1中超宽带平面双注慢波结构中金属外壳的结构图；
图4是图1所示超宽带平面双注慢波结构的前视剖面图；
图5是本实施例的传输特性仿真结果；
图6是本实施例的归一化相速度仿真结果。
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是本发明超宽带平面双注慢波结构的具体实施方式结构图。为了更清楚地展示超宽带平面双注慢波结构的内部结构，图1中隐藏了部分金属外壳。如图1所示，本发明超宽带平面双注慢波结构包括平面金属慢波线1、金属外壳2和两根介质支撑杆3，与常规慢波结构相同，会根据需要在合适位置添加上电子枪的电子入射口4、信号输入口5和信号输出口6。
图2是图1所示超宽带平面双注慢波结构的俯视剖面图。图2中的剖面与平面金属慢波线1所在平面平行，且位置为平面金属慢波线1厚度方向上的中心位置。如图2所示，平面金属慢波线1为具有一定横截面积且具有周期性的平面曲线，每个周期包括3根垂直于注波互作用方向的直线段金属线和交错连接上述3根直线段金属线的2根曲线金属线，记周期数为N，记每个周期在注波互作用方向上的长度为p。在平面金属慢波线的周期所包含的3根直线段金属线中，假设中间的第二根直线段金属线的长度为L，那么第一根直线段金属线和第二根直线段金属线的长度之和为L。平面金属慢波线1的金属线厚度w根据实际需要设置。与通用表述类似，本申请文件中所述的尺寸未考虑各部件的厚度，即所述尺寸的起点和终点为部件厚度方向的中点。
曲线金属线的形状可以根据需要来进行设置，只要便于介质支撑杆3进行夹持即可。本实施例中曲线金属线由两个半径为p4的四分之一圆弧金属线和连接这两个四分之一圆弧金属线的直线段金属线，两个四分之一圆弧金属线的圆心与曲线金属线所连接的两根直线段金属线的同侧端点的中心重合。
图3是图1中超宽带平面双注慢波结构中金属外壳的结构图。如图1、图2和图3所示，本实施例中的金属外壳2为长方体，金属外壳2包括内层21和外层22，内层21用于构成金属外壳内腔，内层21的两个相对的侧面分别设置有N个延伸段23，相邻两个延伸段23中轴线之间的距离为p，相邻两个延伸段23之间设置有开口。
两根介质支撑杆3分别固定于金属外壳2两侧的内层与外层之间，介质支撑杆3的部分侧面从延伸段23之间的开口露出，与平面金属慢波线1的曲线金属线进行面接触，对平面金属慢波线1实现夹持，使平面金属慢波线1悬置于金属外壳2内腔内，即平面金属慢波线1与金属外壳2绝缘。介质支撑杆3的形状可以根据实际需要来确定，其中夹持面的形状根据平面金属慢波线1中曲线金属线的形状来设置，需要满足介质支撑杆从延伸段之间的开口露出的侧面能够与曲线金属线实现面接触。由于本实施例中曲线金属线由两段四分之一圆弧曲线和直线段组成，因此本实施例中介质支撑杆3选用长直柱，介质支撑杆3的侧面平面与曲线金属线中的直线段进行面接触。在实际应用中，在制备金属外壳2时，需要预留出安装介质支撑杆3的空间。
在传统平面慢波结构中，通常采用平面介质基底，导致微波场能量向介质基底集中，而且这种集中趋势的程度随介质基底厚度的减小和介质基底介电常数的增大而变得愈发明显，而注波互作用区域为微带线的真空区域，这种微波场能量的集中趋势意味着微带线中真空区域与介质区域的微波场能量分布不相称，且介质区域中的场能量远大于真空区域中的场能量，从而导致微带慢波结构的耦合阻抗过低。本发明摒弃了平面介质基底，改进为两根介质支撑杆，大大减小了介质裸露于真空区域中的体积，有效避免了上述的电场能量的集中趋势所导致的耦合阻抗过低的问，同时还可以减小介质支撑杆的相对介电常数与真空环境不同而引起的强色散特性。
金属外壳2的内层21两侧中每侧的每个延伸段23分别延伸至平面金属慢波线1面向该侧面的对应开口内，延伸段23的延伸方向垂直于注波互作用方向；所有延伸段23和平面金属慢波线1位于同一平面上。根据平面金属慢波线1的结构可知，平面金属慢波线1每个周期中有两个开口，分别朝向左右两侧，因此在金属外壳2内层21的两侧分别设置了N个延伸段23，每个延伸段23对应一个开口，即平面金属慢波线1每个周期分别从两侧插入两根延伸段23。由于金属外壳2需要和平面金属慢波线1绝缘，显然延伸段23不能与平面金属慢波线1进行接触。
本发明中在金属外壳2的内层21的两个相对侧面设置延伸段23，构建零电势面与电壁边界条件，有效减小了平面金属慢波线1中平行的直线段金属线之间的耦合强度，同时减小了慢波结构内部微波能量传输方向上的不连续性，从而进一步改善了色散特性、减弱了色散特性。
在本实施例中，平面金属慢波线1的曲线金属线由两段四分之一圆弧曲线和直线段组成，因此可以设置延伸段23与金属外壳2的内层21之间的连接面的曲线为四分之一圆弧，其半径大于p4，其圆心与曲线金属线中四分之一圆弧金属线的圆心重合。采用这种方式，可以使金属外壳2的内层21在平面金属慢波线1所在平面的投影与平面金属慢波线1的外轮廓具有相似的曲线，可以减小慢波结构内部微波能量传输方向上的不连续性，改善了传输特性的同时减弱了色散。
本实施例中，延伸段23采用直四棱柱，其宽度w2根据需要设置。就延伸段23的长度而言，一种优选方式是令延伸段的末端延伸至平面金属慢波线中直线段金属线的对侧端点。
根据以上对金属外壳2的描述可知，本发明中金属外壳2的内层21在平面金属慢波线1所在平面上的投影图像中，设置有延伸段的两个侧边为周期图形，每个侧边的单个周期包含1个延伸段。
图4是图1所示超宽带平面双注慢波结构的前视剖面图。图4中的剖面与注波互作用方向平行且与电子注平面垂直，剖面位置为平面金属慢波线1中相互平行的直线段金属线的中点。如图4所示，本发明中平面金属慢波线1由两根介质支撑杆3进行夹持，悬置于金属外壳2的内腔内，从而在平面金属慢波线1的上下天然形成两个天然的电子注通道，可以采用双注行波管技术，从而提高行波管效率。
为了更好地说明本发明的技术效果，对本发明进行仿真验证。图5是本实施例的传输特性仿真结果。图5中S11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，S21为正向传输系数，也就是增益。如图5所示，在45GHz以下频率范围内，本实施例的反射系数低于-23dB，能够覆盖Ka全频段，在较高的频率范围内也具有很多传输特性良好的频段。
图6是本实施例的归一化相速度仿真结果。归一化相速度用于体现慢波结构的色散特性。如图6所示，在45GHz以下频率范围内，本实施例中不同频率电磁波的归一化相速度变化很小，与图5结合可以说明本发明具有较大带宽。
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 (6)
1.一种超宽带平面双注慢波结构，包括平面金属慢波线、金属外壳和两根介质支撑杆，其特征在于：
所述平面金属慢波线为具有一定横截面积且具有周期性的平面曲线，每个周期包括3根垂直于注波互作用方向的直线段金属线和交错连接上述3根直线段金属线的2根曲线金属线，记周期数为N，记每个周期在注波互作用方向上的长度为p；
所述金属外壳包括内层和外层，内层用于构成金属外壳内腔，内层的两个相对的侧面分别设置有N个延伸段，相邻两个延伸段中轴线之间的距离为p，相邻两个延伸段之间设置有开口；
所述的两根介质支撑杆分别固定于金属外壳两侧的内层与外层之间，介质支撑杆的部分侧面从延伸段之间的开口露出，与平面金属慢波线的曲线金属线进行面接触，对平面金属慢波线实现夹持，使平面金属慢波线悬置于金属外壳内腔内；
内层每个侧面的每个延伸段分别延伸至平面金属慢波线面向该侧面的对应开口内，延伸段的延伸方向垂直于注波互作用方向；所有延伸段和平面金属慢波线位于同一平面上。
2.根据权利要求1所述的超宽带平面双注慢波结构，其特征在于，所述曲线金属线由两个半径为p/4的四分之一圆弧金属线和连接这两个四分之一圆弧金属线的直线段金属线，两个四分之一圆弧金属线的圆心与曲线金属线所连接的两根直线段金属线的同侧端点的中心重合。
3.根据权利要求2所述的超宽带平面双注慢波结构，其特征在于，所述支撑介质支撑杆为长直柱。
4.根据权利要求1所述的超宽带平面双注慢波结构，其特征在于，所述延伸段与金属外壳的内层之间的连接面的曲线为四分之一圆弧，其半径大于p/4，其圆心与曲线金属线中四分之一圆弧金属线的圆心重合。
5.根据权利要求1所述的超宽带平面双注慢波结构，其特征在于，所述延伸段为四棱柱。
6.根据权利要求1所述的超宽带平面双注慢波结构，其特征在于，所述延伸段的末端延伸至平面金属慢波线中直线段金属线的对侧端点。
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