CN109904049B - 一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置，包括上下对称的两根金属慢波线、两片介质基底和若干根刻于金属外壳上的金属脊；微波信号从微波输入口输入至金属慢波线后，当电子注由电子输入口通过对称脊加载共形微带曲折线慢波装置时，会与装置上的微波信号发生互作用，而金属脊对金属慢波线的横向直线段进行了隔离，减弱了横向直线段之间的耦合程度，进而减小了耦合电感和耦合电感的变化范围，从而减弱对称脊加载共形微带曲折线慢波装置的色散强度，提升行波管的工作频率和工作带宽。
Description
技术领域
本发明属于行波管放大器技术领域，更为具体地讲，涉及一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置。
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，行波管需要实现不同的工作特点。通常来说，行波管的特点有：工作频带宽、输出功率大、增益高、效率高、稳定性强和寿命长等，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技术领域。
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。
微带曲折线型慢波结构是一种常见的带状注平面慢波结构，其中全基底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、带宽窄和工作频率低等缺点。而共形微带曲折线慢波结构作为微带曲折线慢波结构的一种改进型结构，可以较大程度上减少电能能量在介质基底中的集中程度，同时也可以一定程度上提升传输特性、提高工作频率，但是带宽上的提升效果并不明显。另外，对于微带曲折线型慢波结构，其电磁场能量主要集中于金属慢波线的表面。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置，通过在装置中添加金属脊，来减弱装置的色散强度，提升行波管的工作频率和工作带宽；通过上下对称式的结构使装置的电场能量在横向上的分布更加均匀，为提高行波管的电子效率提供了潜在可能性。
为实现上述发明目的，本发明一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置，其特征在于，包括：上下对称的两根金属慢波线、两片介质基底和若干根刻于金属外壳上的金属脊；
所述金属慢波线为一条周期性的曲折路径形状金属带，其中，曲折路径形状包括与周期性方向垂直的一系列相同的直线段，以及相邻直线段的端点之间交错连接曲线段，且相邻直线段之间的间距为曲折路径形状金属带的半周期；
所述介质基底的形状与金属慢波线的平面形状完全相同，通过金属焊接的方式将金属慢波线焊接在介质基底上，再一起焊接在金属外壳的上下内表壁；
所述的金属外壳包括内层和外层，在内外层之间设置有微波输入、输出口和电子输入、输出口；其中，内层用于构成金属外壳内腔，内腔包裹着整个金属慢波线和介质基底，内层的上下表面刻有具有周期性的金属脊，且上下表面的金属脊个数相等，每个金属脊的形状完全相同，且关于装置的对称面呈对称分布；在单个表面内，每个金属脊刚好位于金属慢波线的相邻两直线段的正中间，这样所有金属脊组成的沟槽形状形成一个与金属慢波线折叠路径相同但宽度较宽的凹槽，金属慢波线与介质基底位于凹槽的中心；
微波信号从微波输入口输入至金属慢波线后，当电子注由电子输入口通过对称脊加载共形微带曲折线慢波装置时，会与装置上的微波信号发生互作用，而金属脊对金属慢波线的横向直线段进行了隔离，减弱了横向直线段之间的耦合程度，进而减小了耦合电感和耦合电感的变化范围，从而减弱对称脊加载共形微带曲折线慢波装置的色散强度，提升行波管的工作频率和工作带宽。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置，包括上下对称的两根金属慢波线、两片介质基底和若干根刻于金属外壳上的金属脊；微波信号从微波输入口输入至金属慢波线后，当电子注由电子输入口通过对称脊加载共形微带曲折线慢波装置时，会与装置上的微波信号发生互作用，而金属脊对金属慢波线的横向直线段进行了隔离，减弱了横向直线段之间的耦合程度，进而减小了耦合电感和耦合电感的变化范围，从而减弱对称脊加载共形微带曲折线慢波装置的色散强度，提升行波管的工作频率和工作带宽。
附图说明
图1是本发明一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置原理图；
图2是本发明中的单周期结构示意图；
图3是本发明中金属内腔形状示意图；
图4是本发明中纵向中心面位置示意图；
图5是本发明中曲折路径形状示意图；
图6是本发明中金属慢波线和介质基底的形状和位置示意图；
图7是本发明中金属脊的形状示意图；
图8是本发明中金属脊相对于金属慢波线和介质基底的位置排列示意图；
图9是本发明中金属脊在金属内腔中的位置排列示意图；
图10是本发明中金属外壳中的通孔位置示意图；
图11是本实施例的传输特性仿真结果；
图12是本实施例和与相同结构参数下具有同样曲折路径的普通共形微带曲折线慢波结构的色散曲线仿真结果对比图；
图13是本实施例和与去除的本实施例上侧的脊和共形微带曲折线的慢波结构中纵向电场随高度的变化曲线对比图。
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是本发明一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置，包括：上下对称的两根金属慢波线、两片介质基底和若干根刻于金属外壳上的金属脊；
金属慢波线为一条周期性的曲折路径形状金属带，周期数目可以根据实际需要进行调整；其中，曲折路径形状包括与周期性方向垂直的一系列相同的直线段，以及相邻直线段的端点之间交错连接曲线段，且相邻直线段之间的间距为曲折路径形状金属带的半周期，上下对称的两根金属慢波线的中间缝隙构成电子注的输入通道；
其中，曲线段包括两个四分之一的圆弧段以及连接这两个圆弧段的短直线段，其中，短直线段的两个端点分别连接两个圆弧的其中一个端点，两个圆弧段在短直线段的同一侧且均与短直线段相切；
在本实施例中，假设一个与装置纵向平行，且位于装置横向中心的平面为装置的纵向中心面，横向直线段即一系列与装置的纵向中心面相垂直的直线段，它们长度相等、处于同一个平面内、每条直线段的两个端点关于纵向中心面对称且两两之间距离相等；曲线段即连接横向直线段使所有的短直线段和圆弧段可以组合成一条完整的曲折路径的线段，它们与横向直线段处于同一个平面内，假如以每个曲线段所处的纵向位置为基准对其进行排序的话，则相邻的两个曲线段处于纵向中心面的不同侧，每个曲线段的形状相同；
介质基底的形状与金属慢波线的平面形状完全相同，通过金属焊接的方式将金属慢波线焊接在介质基底上，再一起焊接在金属外壳的上下内表壁；介质基底与金属慢波线具有同样的宽度和平面形状，材料为电介质，其厚度只需保证金属慢波线与金属外壳绝缘即可；
金属外壳包括内层和外层，以及一些通孔；在内外层之间设置有微波输入、输出口和电子输入、输出口；其中，内层用于构成金属外壳内腔，内腔包裹着整个金属慢波线和介质基底，内层的上下表面刻有具有周期性的金属脊，且上下表面的金属脊个数相等，每个金属脊的形状完全相同，且关于装置的对称面呈对称分布；在单个表面内，每个金属脊刚好位于金属慢波线的相邻两直线段的正中间，这样所有金属脊组成的沟槽形状形成一个与金属慢波线折叠路径相同但宽度较宽的凹槽，金属慢波线与介质基底位于凹槽的中心；
其中，金属脊是刻在金属外壳内层上下表面的平面形状金属片，其平面形状由一个矩形和一个将等腰梯形的两个腰变形为圆弧的变形图形拼接而成，两个部分的厚度可以不相等，本实施例中矩形的厚度小于变形图形的厚度；其中，圆弧角度为90度，变形图形的下底边与圆弧相切，其上底边与连接点处的圆弧的切线垂直，变形图形比原本的等腰梯形面积小，且仍关于等腰梯形的对称轴对称，而矩形的宽度与变形图形的上底边长度相等且重合；
在本实施例中，在不考虑金属脊的时候，内表面所构成的内腔体形状近似为一个长方体，具体形状为对一个长方体的两个对角的高边进行倒圆角所得到的形状，且倒角的半径与上述脊的平面图案中变形图形中的圆弧半径相等；外表面为长方体，要求被完全包住内表面且使得外壳壁具有一定的厚度；通孔包含信号输入孔、信号输出孔、电子输入孔和电子输出孔，其具体形状需要根据需要进行设计，不是本发明的重点内容。
微波信号从微波输入口输入至金属慢波线后，当电子注由电子输入口通过对称脊加载共形微带曲折线慢波装置时，会与装置上的微波信号发生互作用，而金属脊对金属慢波线的横向直线段进行了隔离，减弱了横向直线段之间的耦合程度，进而减小了耦合电感和耦合电感的变化范围，从而减弱对称脊加载共形微带曲折线慢波装置的色散强度，提升行波管的工作频率和工作带宽。
图1、图2和图6给出了装置的对称部分的一半，如图1所示，本发明提供的一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置包括若干根金属脊1、一条金属慢波线2、金属外壳3和金属外壳3中所包含的四个通道：微波输入通道4、微波输出通道5、电子输入通道6和电子输出通道7；将图1中右边的图的A区域放大可以得到左边的局部放大视图，可以看到金属慢波线2包含金属慢波线2a和与金属慢波线共形的介质基底2b。
在图2所示的装置单周期结构示意图中可以更清楚地看出本发明的结构。根据图2可以看出，本发明的每个周期中包含两根金属脊，而总体结构示意图如图6所示。
图3是本发明的金属外壳的内腔的形状示意图，其形状为对一个长方体的两个对角的高边进行倒圆角所得到的形状，包含两个口，分别为：微波输入端口8和微波输出端口9。
图4是假设一个与装置纵向平行，且位于装置横向中心的平面为装置的纵向中心面10，它与内腔的左右两个与其平行的面的距离相等。
图5是周期性的曲折路径形状金属带的示意图，为了更清楚地区分出路径中的不同段，这里使用不同粗细的线进行表示，而这些线条的粗细并不具有实际意义；由图5可以看出，所述的曲折路径包含横向直线段11、曲线段12和连接微波输入端口8和微波输出端口9的补充段13，两端的补充段一端分别连接至两根最外侧的横向直线段。
如图7所示，金属脊可以分为两个部分，根据它们的平面形状分别称为矩形部分1a和变形梯形1b，如图所示，两个部分的厚度可以不相等。
图8是本发明中金属脊1和金属慢波线2的相对位置示意图，如图8所示，需要根据需要切除接近微波输入端口8和微波输出端口9的两根金属脊的一部分，以保证电磁波在其中的传输效果，具体按实际情况而定。
图9是本发明中金属脊1在金属内腔中的位置排列示意图，可以看到金属脊1在内腔中的排列所形成的曲折凹槽14。
图10是本发明中金属外壳中的通孔位置示意图，在金属外壳内表面3a和金属外壳外表面3b存在4个通孔，分别是微波输入通道4、微波输出通道5、电子输入通道6和电子输出通道7。
图11是本发明应用于Ka波段的实施例在Ka波段内的传输特性仿真结果图，通过仿真结果可以看出本发明对Ka波段的电磁波具有良好的传输特性。
图12是本发明应用于Ka波段的实施例和相同形状、相同尺寸下无脊共形微带曲折线的基模的色散特性仿真结果对比图，表明本发明不仅能减弱慢波结构的色散还能，还能一定程度上提高基模的上限频率，即提高行波管的工作频率。
图13是本实施例和与去除的本实施例上侧的脊和共形微带曲折线的慢波结构中纵向电场随高度的变化曲线对比图，可以看出，在本发明实施例在竖直方向中心区域的纵向电场分布明显比所设置的参考结构更加均匀。
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 (4)
1.一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置，其特征在于，包括：上下对称的两根金属慢波线、两片介质基底和若干根刻于金属外壳上的金属脊；
所述金属慢波线为一条周期性的曲折路径形状金属带，其中，曲折路径形状包括与周期性方向垂直的一系列相同的直线段，以及相邻直线段的端点之间交错连接曲线段，且相邻直线段之间的间距为曲折路径形状金属带的半周期，上下对称的两根金属慢波线的中间缝隙构成电子注的输入通道；
所述介质基底的形状与金属慢波线的平面形状完全相同，通过金属焊接的方式将金属慢波线焊接在介质基底上，再一起焊接在金属外壳的上下内表壁；
所述的金属外壳包括内层和外层，在内外层之间设置有微波输入、输出口和电子输入、输出口；其中，内层用于构成金属外壳内腔，内腔包裹着整个金属慢波线和介质基底，内层的上下表面刻有具有周期性的金属脊，且上下表面的金属脊个数相等，每个金属脊的形状完全相同，且关于装置的对称面呈对称分布；在单个表面内，每个金属脊刚好位于金属慢波线的相邻两直线段的正中间，这样所有金属脊组成的沟槽形状形成一个与金属慢波线折叠路径相同但宽度较宽的凹槽，金属慢波线与介质基底位于凹槽的中心；
微波信号从微波输入口输入至金属慢波线后，当电子注由电子输入口通过对称脊加载共形微带曲折线慢波装置时，会与装置上的微波信号发生互作用，而金属脊对金属慢波线的横向直线段进行了隔离，减弱了横向直线段之间的耦合程度，进而减小了耦合电感和耦合电感的变化范围，从而减弱对称脊加载共形微带曲折线慢波装置的色散强度，提升行波管的工作频率和工作带宽。
2.根据权利要求1所述的一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置，其特征在于，所述的曲线段包括两个四分之一的圆弧段以及连接这两个圆弧段的短直线段，其中，短直线段的两个端点分别连接两个圆弧的其中一个端点，两个圆弧段在短直线段的同一侧且均与短直线段相切。
3.根据权利要求1所述的一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置，其特征在于，所述的金属脊是刻在金属外壳内层上下表面的平面形状金属片，其平面形状由一个矩形和一个将等腰梯形的两个腰变形为圆弧的变形图形拼接而成，其中，圆弧角度为90度，变形图形的下底边与圆弧相切，其上底边与连接点处的圆弧的切线垂直，变形图形比原本的等腰梯形面积小，且仍关于等腰梯形的对称轴对称，而矩形的宽度与变形图形的上底边长度相等且重合。
4.根据权利要求3所述的一种对称脊加载共形微带曲折线慢波装置，其特征在于，所述矩形的厚度小于变形图形的厚度。
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