CN109119310B - 适用于双带状注返波振荡器的慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于双带状注返波振荡器的慢波结构，包括矩形波导和若干个竖直金属平板对结构，竖直金属平板对结构包括一对竖直矩形金属平板、矩形金属框架和一对金属条，竖直矩形金属平板的上下半部分各开有一个矩形孔，两个竖直矩形金属平板平行放置于矩形金属框架的内部，两个金属条用于分别连接一个竖直矩形金属平板和矩形金属框架；若干个竖直金属平板结构中的矩形金属框架依次连接，作为整体插入矩形波导中，构成慢波结构。本发明慢波结构具有较高的输出功率和电子效率。

Description

适用于双带状注返波振荡器的慢波结构

技术领域

本发明属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于双带状注返波振荡器的慢波结构。

背景技术

微波电真空器件是利用带电粒子在真空环境中实现微波信号的振荡或放大的一种器件。这种器件最大的一个特点就是能够产生很高的功率输出，这就使得微波电真空器件能够在电子对抗领域、电子对抗领域、卫星通信等领域有着重要的作用。固态器件的高速发展以及航天、军事领域的迫切需求，给电真空器件带来了挑战和机遇。新一代电真空器件不仅要求具有高功率、高性能，还要求具有高可靠性、能够批量生产和制造成本低等特点，能够满足新的应用需求和挑战。其中，返波振荡器又称返波管(BWO)是众多微波电真空器件中应用较为广泛的一种器件，返波振荡器的工作机制是利用返向空间谐波与电子注发生同步互作用从而产生自激振荡。作为一种典型的电真空管，返波管具有宽带调谐、谱线窄、功率大、效率高等特点，被广泛应用于雷达及电子干扰等领域，也可作为高功率微波放大器的推动源。

返波管主要的组成部分包括电子枪、慢波结构、聚焦磁场系统、输入输出端口和收集级五个部分组成。其中慢波结构是返波振荡器件中最重要的部分，直接决定着返波管的性能。慢波结构主要是电子注和电磁波进行注-波互作用而发生能量交换的场所，慢波结构的形状和尺寸大小会决定着高频场的传播速度和分布情况，也进一步决定着电子注和电磁波之间的作用效果。慢波结构可以使得高频电磁场的微波信号行波相速变得缓慢使之略微小于电子注的速度，从而尽可能地保证能量的交换。表征慢波结构的主要性能指标是慢波结构的色散和耦合阻抗。其中，色散特性表征着高频电磁场与电子注的同步效果，直接决定着行波管的工作电压和工作带宽，归一化相速越小，其同步工作电压越小；归一化相速曲线越平坦，行波管的工作带宽越宽。耦合阻抗是表征电场纵向分量与沿着纵向运动的带电粒子发生互作用的有效程度。耦合阻抗越大说明参与电子注互作用的纵向场分量越强，越有利于注-波互作用的进行，返波管的输出功率以及电子效率等性能也会越好。

寻求新型的慢波结构一直是微波管科研工作者努力探索的目标。目前常规的慢波结构有螺旋线慢波结构、螺旋波导、曲折波导、交错双栅和正弦波导等，这些常规的微波电真空器件如行波管和返波管中的慢波结构的周期和横向尺寸大约是工作波长λ的1/3～1倍。为了得到更加优良慢波特性，研究人员的工作大多集中在常规慢波结构本身的改进，比如加载脊结构，槽结构、削顶，开孔等手段。但是这种提高管子工作性能方式往往会使得慢波结构变得更加复杂而带来加工复杂、散热等问题。在航天和军事高速发展的今天，迫切需要一种体积小，重量轻，能耗低，功率高，易于集成化实现功率可调的新型返波管来提高电磁能量设备的灵活机动性，减少功耗，极大提高军事能力。因此，设计出一种全金属、小型化，结构简单的新型慢波结构对于发展新型的电真空器件，为电真空管领域注入新的血液具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于双带状注返波振荡器的慢波结构，设计出一种结构简单、全金属的慢波结构，具有较高的输出功率和电子效率。

为实现上述发明目的，本发明适用于双带状注返波振荡器的慢波结构包括矩形波导和若干个竖直金属平板对结构，竖直金属平板对结构包括一对竖直矩形金属平板、矩形金属框架和一对金属条，其中：

竖直矩形金属平板的上下半部分各开有一个矩形孔，两个矩形孔关于竖直矩形金属平板的中线对称，两个竖直矩形金属平板平行放置于矩形金属框架的内部，两个竖直矩形金属平板之间存在一定间隙，两个竖直矩形金属平板的侧面与矩形金属框架存在一定间隙；矩形金属框架水平放置，其中轴线与两个竖直矩形金属平板的中轴线重合；两个金属条位于竖直矩形金属平板的中轴线上，分别连接一个竖直矩形金属平板和矩形金属框架；

若干个竖直金属平板对结构中的矩形金属框架依次连接，作为整体插入矩形波导中，矩形波导的中轴线与竖直金属平板对结构的中轴线重合，若干个竖直矩形金属平板上半部分和下半部分的矩形孔构成两个带状电子注通道。

本发明适用于双带状注返波振荡器的慢波结构，包括矩形波导和若干个竖直金属平板对结构，竖直金属平板对结构包括一对竖直矩形金属平板、矩形金属框架和一对金属条，竖直矩形金属平板的上下半部分各开有一个矩形孔，两个竖直矩形金属平板平行放置于矩形金属框架的内部，两个金属条用于分别连接一个竖直矩形金属平板和矩形金属框架；若干个竖直金属平板对结构中的矩形金属框架依次连接，作为整体插入矩形波导中，构成慢波结构。

本发明具有以下技术效果：

1)本发明采用设置有开孔的竖直矩形金属平板构建慢波结构，存在天然的双带状电子注通道，即在慢波结构的上、下孔位置可以同时发射带状电子注，采用带状电子注与电磁波进行互作用，可以提高输出功率和电子效率，还能够进行单注、双注切换工作实现功率可调；

2)本发明拥有更高的耦合阻抗，可得到较高的功率输出和互作用效率；

3)本发明慢波结构内部空间开放，全金属结构利于散热；

4)本发明结构简单、易于加工，生产成本低，可实现小型化、集成化和批量生产，是一种具有较大潜力的适用于返波振荡器的慢波结构。

附图说明

图1是本发明适用于双带状注返波振荡器的慢波结构的具体实施方式结构图；

图2是本发明适用于双带状注返波振荡器的慢波结构的单周期结构图；

图3是本发明中竖直金属平板对的结构图；

图4是双带状电子注通过本发明慢波结构示意图；

图5是本实施例中矩形波导的结构图；

图6是本实施例中单周期慢波结构的第一剖视图；

图7是本实施例中单周期结构的第二剖视图；

图8是本实施例中单周期结构的第三剖视图；

图9是本实施例中得到的相移和频率关系曲线图；

图10是本实施例中得到的归一化色散曲线和耦合阻抗曲线图。

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。

实施例

图1是本发明适用于双带状注返波振荡器的慢波结构的具体实施方式结构图。为了更好地展示本发明的内部结构，图1中隐藏了部分矩形波导。如图1所示，本发明适用于双带状注返波振荡器的慢波结构包括矩形波导1和若干个竖直金属平板对结构2，本发明为周期结构。图2是本发明适用于双带状注返波振荡器的慢波结构的单周期结构图。

矩形波导1是微波领域的常用技术，不是本发明的技术重点，在此不再赘述，接下来对竖直金属平板对结构2进行详细说明。

图3是本发明中竖直金属平板对的结构图。如图3所示，本发明中的竖直金属平板对结构2包括一对竖直矩形金属平板21、矩形金属框架22和一对金属条23，竖直矩形金属平板21的上下半部分各开有一个矩形孔，两个矩形孔关于竖直矩形金属平板的中线对称，两个竖直矩形金属平板21平行放置于矩形金属框架22的内部，两个竖直矩形金属平板21之间存在一定间隙，两个竖直矩形金属平板21的侧面与矩形金属框架22存在一定间隙。矩形金属框架22水平放置，其中轴线与两个竖直矩形金属平板21的中轴线重合，两个金属条23位于竖直矩形金属平板21的中轴线上，分别连接一个竖直矩形金属平板21和矩形金属框架22。

根据图1可知，若干个竖直金属平板对结构2中的矩形金属框架22依次连接，作为整体插入矩形波导1中，矩形波导1的中轴线与竖直金属平板对结构2的中轴线重合，若干个竖直矩形金属平板21上半部分和下半部分的矩形孔构成两个带状电子注通道。

根据以上说明可知，本发明适用于双带状注返波振荡器的慢波结构使得能量交换的空间区域比较开放，有利于解决散热和电子积累等问题，能够保证管子工作寿命和工作稳定性。

图4是双带状电子注通过本发明慢波结构示意图。如图4所示，由于该实施慢波结构上下完全对称，在周期性的竖直金属平板对结构之间都能产生对称的纵向场，有天然对称的电子注通道，因此可以在慢波结构的上、下各加一个带状电子注。当电子注通过周期性慢波结构时，会在慢波结构上激励起噪声电磁波信号，信号在该结构中传播产生负色散的电磁慢波形成自激振荡，并与电子注进行能量交换得到信号的放大，放大的信号又向着相反的方向传播并在靠近电子枪的一端输出。这样能够充分利用纵向场分量与电子注进行能量交换，提高行波管的输出功率和电子效率。另外，本发明慢波结构还可以进行单注、双注切换工作，实现功率或频率可调。

图5是本实施例中矩形波导的结构图。如图5所示，本实施例中矩形波导1的内腔在两个侧壁的中间位置开设有一定深度的凹槽，竖直金属平板对结构2的矩形金属框架22的两个侧边嵌入凹槽中，实现竖直金属平板对结构2的插入。

图6是本实施例中单周期慢波结构的第一剖视图。图6中剖面为两个竖直矩形金属平板21的中间平面。图7是本实施例中单周期结构的第二剖视图。图7中剖面为两个竖直矩形金属平板21的中轴线所在水平面。图8是本实施例中单周期结构的第三剖视图。图8中剖面为两个竖直矩形金属平板21的中轴线所在竖直面。如图6至图8所示，慢波结构的矩形波导1的内腔宽为a，高为b，单周期的长度为c；竖直矩形金属平板21的长为L2、高为L3、厚度为t3，两个竖直矩形金属平板21的间距为w2；竖直矩形金属平板21上所开孔的长为L1，高为w1；矩形金属框架22的厚度为t1；金属条23的宽度为t2。显然竖直矩形金属平板21的长L2、开孔的长L1以及矩形波导1的内腔宽a满足L1＜L2＜a，竖直矩形金属平板21的高L3、开孔的高W1以及矩形波导1的内腔高b满足2W1＜L3＜b。

为了有利于小型化器件的实现，优选设置慢波结构的单周期结构中矩形波导内腔的宽a＜0.2λ，高b＜0.2λ，长c＜0.2λ，λ表示慢波结构的工作波长。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用本发明适用于双带状注返波振荡器的慢波结构设计出一种工作在S波段的慢波结构进行仿真验证，其尺寸参数如下：矩形波导：a＝9.86mm，b＝7.2mm，c＝9.86mm；竖直矩形金属平板：L2＝8mm，L3＝5.8mm，t3＝1mm，w2＝3.6mm；开孔：L1＝6.8mm，w1＝1.8mm；矩形金属框架：t1＝1mm；金属条：t2＝1mm。其它频段的慢波结构可在本实施例中的慢波结构上进行缩放可得。

图9是本实施例中得到的相移和频率关系曲线图。相移和频率关系曲线即为自由空间波数与相位常数关系曲线，即通常所说的布里渊曲线图，布里渊曲线上任一点的纵坐标与横坐标之比为相速与光速之比，可以看出是快波和慢波，其中0～π为零次空间谐波(基波)，对应的π～2π为-1次谐波，2π～3π为+1次谐波，3π～4π为-2次谐波基波为返波，并且0～π为返波，π～2π为前向波。图9中分别同时给出一条光速线和11.8kV工作电压线，光速线左端的区域为快波，右端的区域为慢波。因此从图9可以看出大部分落在慢波区域，11.8KV工作电压线与返波区有交集，可用来设计返波振荡器。

图10是本实施例中得到的归一化色散曲线和耦合阻抗曲线图。图10中横坐标为频率，纵坐标为归一化相速大小，即相速与光速之比。从图10中坐标轴的数轴左边可以直接看出各个频点所对应的归一化相速的大小，本实施例中在2.409～2.441GHz的带宽内相速为0.165c～0.53c(c为光速，c＝3.0×108m/s)；耦合阻抗大于1685欧姆，远大于S波段普通螺旋线耦合阻抗(100～200欧姆)和耦合腔慢波结构(300～400欧姆)。

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 (3)

1.一种适用于双带状注返波振荡器的慢波结构，其特征在于，包括矩形波导和若干个竖直金属平板对结构，竖直金属平板对结构包括一对竖直矩形金属平板、矩形金属框架和一对金属条，其中：

竖直矩形金属平板的上下半部分各开有一个矩形孔，两个矩形孔关于竖直矩形金属平板的中线对称，两个竖直矩形金属平板平行放置于矩形金属框架的内部，两个竖直矩形金属平板之间存在一定间隙，两个竖直矩形金属平板的侧面与矩形金属框架存在一定间隙；矩形金属框架水平放置，其中轴线与两个竖直矩形金属平板的中轴线重合；两个金属条位于竖直矩形金属平板的中轴线上，分别连接一个竖直矩形金属平板和矩形金属框架；

若干个竖直金属平板对结构中的矩形金属框架依次连接，作为整体插入矩形波导中，矩形波导的中轴线与竖直金属平板对结构的中轴线重合，若干个竖直矩形金属平板上半部分和下半部分的矩形孔构成两个带状电子注通道。

2.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述矩形波导在内腔两个侧壁的中间位置开设具有一定深度的凹槽，竖直金属平板对结构的矩形金属框架的两个侧边嵌入凹槽中，实现竖直金属平板对结构的插入。

3.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述单个竖直金属平板对结构和矩形波导构成的单周期结构中矩形波导内腔宽a＜0.2λ，高b＜0.2λ，长c＜0.2λ，λ表示慢波结构的工作波长。

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