CN109872936B - 一种类螺旋线型慢波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类螺旋线型慢波装置，通过在空心圆波导中插入两个对立半圆形金属片，两个半圆形金属片边缘向外左右交错伸长一段距离形成一矩形金属块，两个半圆金属片与矩形块连接中心线处通过一定长度的金属圆柱体相连接，再在两对半圆形金属片与空心圆波导之间插入两片陶瓷介质矩形块作为夹持杆对两对半圆形金属片进行支撑，从而构成一个轴向分布且具有连续周期性的类螺旋线型慢波装置；在两个对立的半圆形金属片之间构成天然的圆形电子注通道，当圆形电子注通过电子注通道时就会与慢波结构上的电磁波信号发生互作用，电子注的动能信号转换到高频信号，使得高频信号得到放大。
Description
技术领域
本发明属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及一种实现信号放大的类螺旋线型慢波装置。
背景技术
电真空器件是一种在真空环境中带电粒子与微波信号相互作用，发生能量交换而使微波信号放大的器件。这种器件的特点就是能工作在较大的电压电流条件下，能够实现能量交换，有很高的输出功率、很宽的带宽、很高的增益、较低的噪声等优点。因此，电真空器件能够被广泛应用在电子对抗、卫星通信等军事领域。虽然在一段时间内，半导体微波/毫米波器件和有关集成电路的兴起以及几乎同一时期用于通信领域的各类激光器和集成光学系统的迅猛发展，给属于电真空器件的研制工作带来了巨大的冲击。很多低频、小功率器件，特别是低噪声行波管已让位于微波半导体器件，曾大量采用行波管的微波中继通信逐渐被光纤通信所代替。但是事实证明在一些重要领域，电真空器件尤其是行波管仍然是一类十分关键、不可替代的微波/毫米波放大器件，比如空间行波管(如通信卫星转发器行波管)可以达到10～15年以上的超长寿命、恶劣环境中(特别是恶劣的温度环境中)的可靠性比半导体器件好，并且结构简单、重量轻。所以，在各种军事应用领域中电真空器件尤其是行波管仍然是首要的选择。
慢波结构是电真空器件如行波管或返波管的核心部件。慢波结构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。自行波管问世以来，人们研究了成千上百种行波管慢波电路，其中螺旋线慢波结构是众多慢波结构中应用最为广泛的一种电真空器件。和其他慢波结构相比，螺旋线行波管在带宽方面的优势至今没有其他一种器件能够与之竞争。螺旋线行波管虽然在工艺上已达到很成熟的阶段，但是由于螺旋线、夹持杆及为达到良好高频特性往往加载翼片等形成复杂的三维结构，对于毫米波频段的管子来说，极小的尺寸给加工工艺带来了不小的挑战。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。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。因此，设计出一种宽频带、结构简单、加工工艺方便的新型类类螺旋线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，提供一种类螺旋线型慢波装置，不仅继承了传统的螺旋线慢波结构具有宽频带、天然电子注通道等优点，而且结构简单，有利于批量生产。
为实现上述发明目的，本发明一种类螺旋线型慢波装置，其特征在于，包括：对立半圆形金属片、金属圆柱体、矩形金属块、矩形陶瓷介质夹持杆和空心圆波导；
所述的对立半圆形金属片沿轴线分布，每一组对立半圆形金属片的切边对齐形成圆形电子注入通道，其纵向相距一定距离；在单个半圆形金属片上，半圆形金属片的两端将切边延伸一段距离形成矩形金属块，半圆形金属片的切边中心位置处凸起一段长度的金属圆柱体；对立半圆形金属片通过金属焊接的方式将矩形金属块和金属圆柱焊接，使对立半圆形金属片、金属圆柱体和矩形金属块构成一个轴向分布且具有连续周期性的整体结构；
所述的矩形陶瓷介质夹持杆由多对矩形陶瓷介质块组成，矩形陶瓷介质块上设置有凹槽，凹槽的位置和大小刚好固定连续周期性的半圆形金属片，这样通过矩形陶瓷介质夹持杆支撑在空心圆波导的内壁，从而构成类螺旋线型慢波装置；
当电子注通过周期性慢波结构时，会与周期性慢波结构上的电磁波信号发生互作用，使电子注与高频信号进行能量交换，将电子注的动能信号转换到高频信号，使得高频信号得到放大。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种类螺旋线型慢波装置，通过在空心圆波导中插入两个对立半圆形金属片，两个半圆形金属片边缘向外左右交错伸长一段距离形成一矩形金属块，两个半圆金属片与矩形块连接中心线处通过一定长度的金属圆柱体相连接，再在两对半圆形金属片与空心圆波导之间插入两片陶瓷介质矩形块作为夹持杆对两对半圆形金属片进行支撑，从而构成一个轴向分布且具有连续周期性的类螺旋线型慢波装置；在两个对立的半圆形金属片之间构成天然的圆形电子注通道，当圆形电子注通过电子注通道时就会与慢波结构上的电磁波信号发生互作用，电子注的动能信号转换到高频信号，使得高频信号得到放大。
与传统的螺旋线慢波结构相比，这种新型的类螺旋形慢波结构不仅继承了传统的螺旋线慢波结构具有宽频带、天然电子注通道等优点，而且结构简单，独立的半圆形片状结构相比于传统的螺旋线结构来说加工工艺更加简单，适合批量生产，是一种优良、具有较大潜力的宽带行波管慢波结构。
附图说明
图1是本发明一种类螺旋线型慢波装置示意图。
图2是类螺旋线型慢波装置的俯视图。
图3是类螺旋线型慢波装置的前视图。
图4是类螺旋线型慢波装置的左视图。
图5是类螺旋线型慢波装置结构示意图。
图6是圆形电子注通过多周期慢波结构示意图。
图7是类螺旋线型慢波装置的前向剖视图。
图8是类螺旋线型慢波装置的左向剖视图。
图9是类螺旋线型慢波装置的归一化色散曲线图。
图10是类螺旋线型慢波装置的耦合阻抗曲线图。
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是本发明一种类螺旋线型慢波装置示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种类螺旋线型慢波装置，包括：对立半圆形金属片1、金属圆柱体2、矩形金属块3、矩形陶瓷介质夹持杆4和空心圆波导5；
如图6所示，对立半圆形金属片沿轴线分布，每一组对立半圆形金属片的切边对齐形成圆形电子注入通道，其纵向相距一定距离；在单个半圆形金属片上，半圆形金属片的两端将切边延伸一段距离形成矩形金属块，半圆形金属片的切边中心位置处凸起一段长度的金属圆柱体；对立半圆形金属片通过金属焊接的方式将矩形金属块和金属圆柱焊接，使对立半圆形金属片、金属圆柱体和矩形金属块构成一个轴向分布且具有连续周期性的整体结构；
矩形陶瓷介质夹持杆由多对矩形陶瓷介质块组成，矩形陶瓷介质块上设置有凹槽，凹槽的位置和大小刚好固定连续周期性的半圆形金属片，这样通过矩形陶瓷介质夹持杆支撑在空心圆波导的内壁，从而构成图5所示的类螺旋线型慢波装置；
在本实施例中，类螺旋线型慢波装置内部的连接关系如图7、图8所示。本实施方案是一种工作在Ka波段慢波结构，其它频段的慢波结构可在本实施结构上进行缩放可得。所设计的结构相对于常规的螺旋线慢波结构来说不仅继承了宽频带的优点，而且结构更加简单，更有利于加工装配。
当电子注通过周期性慢波结构时，会与周期性慢波结构上的电磁波信号发生互作用，使电子注与高频信号进行能量交换，将电子注的动能信号转换到高频信号，使得高频信号得到放大。
图2是类螺旋线型慢波装置的俯视图。
在本实施例中，半圆形金属片的内径为ra，外径为rb；夹持杆的宽度为w；空心圆波导的管壳内径为rc，外径为rd。具体的实施方案的结构尺寸为：ra＝0.3mm，rb＝0.69mm，rc＝1.2mm，rd＝1.5mm。
图3是类螺旋线型慢波装置的前视图。
在本实施例中，空心圆波导的外壳高度为p；金属圆柱体的直径为re，长度为h。具体的实施方案的结构尺寸为：re＝0.15mm，h＝0.18mm，p＝0.56mm。
图4是类螺旋线型慢波装置的左视图。
在本实施例中，矩形金属块的宽度为a；半圆形金属片1的厚度为t。具体实施方案的结构尺寸为：a＝0.08mm，t＝0.1mm。本发明实施例中，金属圆柱体的直径re与矩形金属块的宽度a的大小关系满足：re<2a。
下面通过仿真软件对慢波结构进行三维建模，然后对其进行优化仿真，得到各部件的结构尺寸以及归一化色散曲线和耦合阻抗随频率变化的曲线。
图9是类螺旋线型慢波装置的归一化色散曲线图。
在本实施例中，类螺旋线型慢波装置的带宽为13.8-41GHz继承了螺旋线慢波结构宽频带的优点，并且在整个频带范围内归一化色散大小为0.156-0.198，可以在较低的工作电压下工作。
图10是类螺旋线型慢波装置的耦合阻抗曲线图。
在本实施例中，类螺旋线型慢波装置在13.8-41GHz频带范围内耦合阻抗为5.54～78.5欧姆。
综上，本发明提供的类螺旋线型慢波装置，有天然的圆形电子注通道，采用半圆形金属片结构增大了慢波结构的金属面积，有利于散热和加工的装配的实现，并且拥有很宽的带宽，结构简单易于加工，是一种具有较大潜力的适用于行波放大器的慢波结构。
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 (1)
1.一种类螺旋线型慢波装置，其特征在于，包括：对立半圆形金属片、金属圆柱体、矩形金属块、矩形陶瓷介质夹持杆和空心圆波导；
所述的对立半圆形金属片沿轴线分布，每一组对立半圆形金属片的切边对齐形成圆形电子注入通道，其纵向相距一定距离；在单个半圆形金属片上，半圆形金属片的两端将切边延伸一段距离形成矩形金属块，半圆形金属片的切边中心位置处凸起一段长度的金属圆柱体；对立半圆形金属片通过金属焊接的方式将矩形金属块和金属圆柱焊接，使对立半圆形金属片、金属圆柱体和矩形金属块构成一个轴向分布且具有连续周期性的整体结构；
所述的矩形陶瓷介质夹持杆由多对矩形陶瓷介质块组成，矩形陶瓷介质块上设置有凹槽，凹槽的位置和大小刚好固定连续周期性的半圆形金属片，这样通过矩形陶瓷介质夹持杆支撑在空心圆波导的内壁，从而构成类螺旋线型慢波装置；
当电子注通过周期性慢波结构时，会与周期性慢波结构上的电磁波信号发生互作用，使电子注与高频信号进行能量交换，将电子注的动能信号转换到高频信号，使得高频信号得到放大；
其中，所述的金属圆柱体的直径小于矩形金属块宽度的两倍。
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