CN108831814A - 一种基于平面印制板工艺的三维慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面印制板工艺的三维慢波结构，属于物理电子学技术领域。该结构包括上下平行相对的平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ，所述平面印制板Ⅰ印制有金属微带线Ⅰ，所述平面印制板Ⅱ印制有金属微带线Ⅱ，所述金属微带线Ⅰ和金属微带线Ⅱ通过连接件相互连接，在同一平面的投影构成曲折线慢波结构。本发明所示结构使得电磁场分布具有沿轴向的对称性，有效增强了耦合阻抗，降低了线路损耗，增大了工作带宽；其制作可利用现有平面印制技术进行加工，工艺简单。

Description

一种基于平面印制板工艺的三维慢波结构

技术领域

本发明涉及一种微波慢波结构，尤其是一种基于平面印制板工艺的三维慢波结构，属于物理电子学技术领域。

背景技术

慢波结构主要用在行波放大器、粒子加速器以及在电磁波与较低速度的波（如声波、静磁波等）相互作用的器件中，其作用在于使得互作用在较长距离与较长时间内持续进行。在该系统中，电磁波相速低于空间光速，使运动荷电子粒或低速波的能量有效地转换成电磁波的能量。

螺旋线、耦合腔等结构是常用的慢波结构。这些结构在三维空间构成周期结构，具有很好的慢波性能。但由于这些结构均利用传统机械工艺加工，很难降低尺寸，使得慢波频率难以提高。

小型化、平面型行波管是减小行波管的制造成本、缩减体积和突破频率上限的主要途径。平面行波管器件是将U型曲折线慢波结构1加载在介质基板2上进行波注互作用。但是介质基板2的使用降低了慢波结构的耦合阻抗与工作带宽，并加大了损耗，从而使得平面结构的放大效果较差。同时，单面平面慢波结构，使得电磁场分布不具有对称性，降低了波注互作用效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种可以利用平面印制板工艺进行加工的三维慢波结构，可提高其耦合阻抗，减少线路损耗，增强耦合效率，提高输出功率。

本发明具体采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于平面印制板工艺的三维慢波结构，该结构包括上下平行相对的平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ，所述平面印制板Ⅰ印制有金属微带线Ⅰ，所述平面印制板Ⅱ印制有金属微带线Ⅱ，还包括平面印制板Ⅲ和平面印制板Ⅳ，所述平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ的印制图形的上下两侧分别设置上卡槽和下卡槽，所述上卡槽的宽度为平面印制板Ⅲ的厚度，所述下卡槽的宽度为平面印制板Ⅳ的厚度，所述平面印制板Ⅲ和平面印制板Ⅳ分别通过上卡槽和下卡槽与平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ固连；所述连接件为分别印制在平面印制板Ⅲ的金属微带线Ⅲ、平面印制板Ⅳ的金属微带线Ⅳ。所述金属微带线Ⅰ和金属微带线Ⅱ通过连接件相互连接，在同一平面的投影构成曲折线慢波结构。

可选地，所述金属微带线Ⅰ的印制图形呈反“Z”状图案且在横向重复排列，所述金属微带线Ⅱ的印制图形呈直线状且在横向重复排列。

可选地，所述金属微带线Ⅰ的印制图形呈倾斜的直线状且在横向重复排列，所述金属微带线Ⅱ的印制图形呈反向倾斜的直线状且在横向重复排列。

可选地，所述金属微带线Ⅲ呈包括但不限于直线状。

可选地，所述金属微带线Ⅳ呈包括但不限于直线状。

可选地，所述上卡槽至平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ的印制图形的距离相等，为金属微带线Ⅲ的厚度，下卡槽至平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ的印制图形的距离相等，为金属微带线Ⅳ的厚度。

本发明还提供了一种基于平面印制板工艺的三维慢波结构，该结构包括上下平行相对的平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ，所述平面印制板Ⅰ印制有金属微带线Ⅰ，所述平面印制板Ⅱ印制有金属微带线Ⅱ。还包括接头Ⅰ和接头Ⅱ，所述接头Ⅰ设置在金属微带线Ⅰ的两端，所述接头Ⅱ设置在金属微带线Ⅱ的两端；所述连接件为金属连接线，其通过接头Ⅰ和接头Ⅱ将金属微带线Ⅰ和金属微带线Ⅱ固连，所述金属微带线Ⅰ和金属微带线Ⅱ通过连接件相互连接，在同一平面的投影构成曲折线慢波结构。

可选地，所述金属微带线Ⅰ的印制图形呈反“Z”状图案且在横向重复排列，所述金属微带线Ⅱ的印制图形呈直线状且在横向重复排列。

可选地，所述金属微带线Ⅰ的印制图形呈倾斜的直线状且在横向重复排列，所述金属微带线Ⅱ的印制图形呈反向倾斜的直线状且在横向重复排列。

在平面印制板组成的空间外，加上适当磁场结构，并在内空间注入电子注时，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。

有益效果

本发明的可以利用平面印制板工艺进行加工的三维慢波结构，使得电磁场分布具有沿轴向的对称性，有效增强了耦合阻抗，降低了线路损耗，增大了工作带宽，增强了耦合效率，提高了输出功率；且可利用现有平面印制技术进行加工，制作工艺简单。

附图说明

图1是一种现有的U型慢波结构示意图；

图2是本发明的一种三维U型结构实施例一示意图；

图3A是图2的第一组平面印制板图形示意图；

图3B是图2的第二组平面印制板图形示意图；

图3C是图2的第三组平面印制板图形示意图；

图3D是图2的第四组平面印制板图形示意图；

图4是本发明的三维U型结构与现有U型结构的色散比较；

图5是本发明的三维U型结构与现有U型结构的耦合阻抗比较；

图6是本发明的一种三维U型结构实施例二示意图；

图7A是图6的第一组平面印制板图形示意图；

图7B是图6的第二组平面印制板图形示意图；

图8 是本发明的一种三维V型结构实施例三的示意图；

图9是本发明V型结构的平面投影图；

图10A是图8的第一组平面印制板图形示意图；

图10B是图8的第二组平面印制板图形示意图；

图10C是图8的第三组平面印制板图形示意图；

图10D是图8的第四组平面印制板图形示意图；

图中有：

金属微带线Ⅰ111、金属微带线Ⅰ112、金属微带线Ⅰ113；

上卡槽114、下卡槽115；

金属微带线Ⅱ121、上卡槽122、下卡槽123；

金属微带线Ⅲ131、金属微带线Ⅳ141；

金属微带线Ⅱ211、接头Ⅰ212、接头Ⅰ213；

金属微带线Ⅱ221、接头Ⅱ222、接头Ⅱ223；

金属连接线231；

金属微带线Ⅰ311、上卡槽314、下卡槽315；

金属微带线Ⅱ321、上卡槽322、下卡槽323；

金属微带线Ⅲ331、金属微带线Ⅳ341。

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：

实施例一

本发明一种基于平面印制板工艺的三维慢波结构，如图2所示，其包括四组平面印制板，分别为平面印制板Ⅰ、平面印制板Ⅱ、平面印制板Ⅲ、平面印制板Ⅳ。其每组平面印制板分别印制了不同形状的金属微带线图形。在同一平面的投影构成U型或V型曲折线平面慢波结构。图3A至图3D分别详细阐述了这四组平面印制板，具体如下：

图3A为第一组平面印制板图形的示意图，该平面印制板Ⅰ上印制有金属微带线Ⅰ111、金属微带线Ⅰ112、金属微带线Ⅰ113，金属微带线Ⅰ111、金属微带线Ⅰ113分别设置在金属微带线Ⅰ112头、尾，呈反“Z”状图案，且在横向重复排列。金属微带线Ⅰ111包括但不限于呈直线状，还可以如曲线状。同时为了精确组装，在第一组印制板的上部、下部还分别预留了上卡槽114、下卡槽115，上卡槽114至金属微带线Ⅰ112的距离为第三组金属微带线Ⅲ131的厚度、下卡槽115至金属微带线Ⅰ113的距离为第四组金属微带线Ⅳ141的厚度，上卡槽114的宽度为平面印制板Ⅲ的厚度，下卡槽115的宽度为平面印制板Ⅳ的厚度。

图3B为第二组平面印制板图形的示意图，该平面印制板Ⅱ上印制有在横向重复排列的金属微带线Ⅱ121和上卡槽122、下卡槽123。上卡槽122至金属微带线Ⅱ121的距离为第三组金属微带线Ⅲ131的厚度，下卡槽123至金属微带线Ⅱ121的距离为第四组金属微带线Ⅳ141的厚度，上卡槽122的宽度为平面印制板Ⅲ的厚度，下卡槽123的宽度为平面印制板Ⅳ的厚度。该平面印制板与第一组平面印制板上下平行相对。金属微带线Ⅱ121包括但不限于呈直线状，还可以如曲线状。金属微带线Ⅱ121的长度与金属微带线Ⅰ111的长度不需要绝对相等。

图3C为第三组平面印制板图形的示意图，该平面印制板Ⅲ印制有平行、等距排列的金属微带线Ⅲ131，其间距为金属微带线Ⅰ111、金属微带线Ⅰ112、金属微带线Ⅰ113所组成的呈反“Z”状图案的宽度，金属微带线Ⅲ131包括但不限于呈直线状，还可以如曲线状。该平面印制板Ⅲ通过平面印制板Ⅰ的上卡槽114、平面印制板Ⅱ的上卡槽122与平面印制板Ⅰ、平面印制板Ⅱ连接固定，该平面印制板Ⅲ的金属微带线Ⅲ131连接平面印制板Ⅰ的金属微带线Ⅰ112与平面印制板Ⅱ的金属微带线Ⅱ121的一端。

图3D为第四组平面印制板图形的示意图，该平面印制板Ⅳ印制有平行、等距排列的金属微带线Ⅳ41，其间距为金属微带线Ⅰ111、金属微带线Ⅰ112、金属微带线Ⅰ113所组成的呈反“Z”状图案的宽度，金属微带线Ⅳ141包括但不限于呈直线状，还可以如曲线状。该平面印制板Ⅳ通过平面印制板Ⅰ的下卡槽115、平面印制板Ⅱ的下卡槽123与平面印制板Ⅰ、平面印制板Ⅱ连接固定，该平面印制板Ⅳ的金属微带线Ⅳ141连接平面印制板Ⅰ的金属微带线Ⅰ113与平面印制板Ⅱ的金属微带线Ⅱ121的另一端。

本方案在平面印制板Ⅰ及平面印制板Ⅱ上设置上下卡槽，以固定平面印制板Ⅲ和平面印制板Ⅳ，使得四组平面印制板上的金属微带线相互连接，在同一平面的投影构成S型曲折线平面慢波结构。由于四组平面印制板内部空间呈三维结构，具有对称性，所以微波传输的场型也具有对称性，因此电磁场沿空间分布具有轴对称分布，效果与螺旋线慢波结构类似。在四组平面印制板组成的空间外，加上适当磁场结构，并在内空间注入电子注时，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。但此类结构完全基于平面印制板工艺实现，制作工艺简单，且线宽可以非常窄，这也意味着频率可以很高，突破了螺旋线工艺目前只能实现26GHz以下频段的限制，有效增强了耦合阻抗，降低了线路损耗，增大了工作带宽。

图4给出了本发明方案一结构与现有U型平面曲折线色散比较，可见，本发明的方案降低了色散，有利于降低波注互作用时的电压，实现低电压工作。图5给出了本发明方案一结构与现有U型平面曲折线耦合阻抗比较。可见，本发明的方案有效提高了耦合阻抗，可以更加有效的实现波注互作用，提升放大效果。

实施例二

本发明一种可以利用平面印制板工艺进行加工的三维慢波结构，如图6所示，其包括两组平面印制板，分别为平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ，每组平面印制板分别印制了不同形状的金属微带线。其中，

图7A为第一组平面印制板图形的示意图，该平面印制板Ⅰ上印制有呈反“Z”状图案的金属微带线Ⅰ211、接头Ⅰ212、接头Ⅰ213，接头Ⅰ212、接头Ⅰ213分别设置在金属微带线Ⅰ211的两端，金属微带线Ⅰ211在横向重复排列。

图7B为第二组平面印制板图形的示意图，该平面印制板Ⅱ上印制有在横向重复排列的金属微带线Ⅱ221和接头Ⅱ222、接头Ⅱ223，接头Ⅱ222、接头Ⅱ223分别设置在金属微带线Ⅱ221的两端。金属微带线Ⅱ221包括但不限于呈直线状，还可以如曲线状。金属微带线Ⅱ221的长度与金属微带线Ⅰ211的竖部长度不需要绝对相等。该平面印制板与第一组平面印制板上下平行相对。

用金属连接线231直接连接平面印制板Ⅰ的接头Ⅰ212和平面印制板Ⅱ的接头Ⅱ222、平面印制板Ⅰ的接头Ⅰ213和平面印制板Ⅱ的接头Ⅱ223，使得两组平面印制板上的金属微带线相互连接，在同一平面的投影构成S型曲折线平面慢波结构。此方案的平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ上不预留卡槽位置，两组平面印制板之间用金属连接线231直接连接，内部空间也呈三维慢波结构，作为简化处理，这在低频段（26GHz以下），工艺实现较为简单。

本发明实施例二的结构与实施例一的结构在色散比较方面的效果近似，降低了色散，有利与降低波注互作用时的电压，实现低电压工作。其与实施例一的结构在耦合阻抗比较方面的效果也近似，有效提高了耦合阻抗，可以更加有效的实现波注互作用，提升放大效果。

实施例三

图8是本发明基于平面印制板工艺的三维慢波结构的一种变形，为V型曲折线平面慢波结构，只要三维结构的平面投影可以形成V型平面慢波结构，就可以利用本发明的平面印制板工艺方法，构造三维结构，从而有效提升慢波结构的性能。图9给出了其平面投影结构。

采用上述图8所示V型曲折线平面慢波结构时，图10A给出了其第一组印制板图形，该印制板上印制有倾斜一定角度且在横向重复排列的金属微带线Ⅰ311，其呈包括但不限于直线状，还可以如曲线状。同时为了精确组装，在第一组印制板的上部、下部还分别预留了上卡槽314、下卡槽315，上卡槽314距离金属微带线Ⅰ311的距离为第三组金属微带线Ⅲ331的厚度，下卡槽315距离金属微带线Ⅰ311的距离为第四组金属微带线Ⅳ341的厚度，上下两条卡槽的宽度分别为第三组印制板、第四组印制板的厚度。

图10B给出了第二组印制板图形，该印制板上印制有反向倾斜一定角度且在横向重复排列的金属微带线Ⅱ321。并在第二组印制板的上部、下部还分别预留了上卡槽322、下卡槽323。上卡槽322距离金属微带线Ⅱ321的距离为第三组的金属微带线Ⅲ331的厚度，下卡槽323距离金属微带线Ⅱ321的距离为第四组的金属微带线Ⅳ341的厚度，上下两条卡槽的宽度分别为第三组印制板、第四组印制板的厚度。第二组印制板与第一组印制板上下相对。

第三组印制板、第四组印制板图形分别印制有金属微带线Ⅲ331、金属微带线Ⅳ341，如图10C、10D所示，其设置同图3C、图3D，此处不再赘述。

本方案在平面印制板Ⅰ及平面印制板Ⅱ上设置上下卡槽，以固定平面印制板Ⅲ和平面印制板Ⅳ，使得四组平面印制板上的金属微带线相互连接，在同一平面的投影构成V型曲折线平面慢波结构，V型的夹角可以根据实际需要通过调整第一组印制板上的金属微带线Ⅰ311和第二组印制板的金属微带线Ⅱ321获得。

同样地，本方案在平面印制板Ⅰ及平面印制板Ⅱ上也可以不设置上下卡槽，而用金属连接线直接连接平面印制板Ⅰ的金属微带线Ⅰ311和平面印制板Ⅱ的金属微带线Ⅱ321，使得两组平面印制板上的金属微带线相互连接，在同一平面的投影构成V型曲折线平面慢波结构。其内部空间也呈三维慢波结构，工艺实现更较为简单。

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 (8)

1.一种基于平面印制板工艺的三维慢波结构，其特征在于，该结构包括上下平行相对的平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ，所述平面印制板Ⅰ印制有金属微带线Ⅰ，所述平面印制板Ⅱ印制有金属微带线Ⅱ，所述金属微带线Ⅰ和金属微带线Ⅱ通过连接件相互连接，在同一平面的投影构成曲折线慢波结构。

2.如权利要求1所述的三维慢波结构，其特征在于，所述金属微带线Ⅰ的印制图形呈反“Z”状图案且在横向重复排列，所述金属微带线Ⅱ的印制图形呈直线状且在横向重复排列。

3.如权利要求1所述的三维慢波结构，其特征在于，所述金属微带线Ⅰ的印制图形呈倾斜的直线状且在横向重复排列，所述金属微带线Ⅱ的印制图形呈反向倾斜的直线状且在横向重复排列。

4.如权利要求1至3中任一项所述的三维慢波结构，其特征在于，还包括平面印制板Ⅲ和平面印制板Ⅳ，所述平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ的印制图形的上下两侧分别设置上卡槽和下卡槽，所述上卡槽的宽度为平面印制板Ⅲ的厚度，所述下卡槽的宽度为平面印制板Ⅳ的厚度，所述平面印制板Ⅲ和平面印制板Ⅳ分别通过上卡槽和下卡槽与平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ固连；所述连接件为分别印制在平面印制板Ⅲ的金属微带线Ⅲ、平面印制板Ⅳ的金属微带线Ⅳ。

5.如权利要求4所述的三维慢波结构，其特征在于，所述金属微带线Ⅲ呈包括但不限于直线状。

6.如权利要求4所述的三维慢波结构，其特征在于，所述金属微带线Ⅳ呈包括但不限于直线状。

7.如权利要求4所述的三维慢波结构，其特征在于，所述上卡槽至平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ的印制图形的距离相等，为金属微带线Ⅲ的厚度，下卡槽至平面印制板Ⅰ和平面印制板Ⅱ的印制图形的距离相等，为金属微带线Ⅳ的厚度。

8.如权利要求1至3中任一项所述的三维慢波结构，其特征在于，还包括接头Ⅰ和接头Ⅱ，所述接头Ⅰ设置在金属微带线Ⅰ的两端，所述接头Ⅱ设置在金属微带线Ⅱ的两端；所述连接件为金属连接线，其通过接头Ⅰ和接头Ⅱ将金属微带线Ⅰ和金属微带线Ⅱ固连。