CN110473755B - 一种两侧夹持的环杆带状线慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两侧加持的环杆带状线慢波结构，环杆带状线的一个周期结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，这样其为一环一杆交替排列，同时，两根夹持杆前后侧将环杆带状线焊接固定到金属腔体中部，这样结构稳定性较高，不易变形。同时，设计适用于环杆带状慢波结构的输入输出过渡段，输入输出的过渡段使得环杆带状慢波结构可以获得良好的传输特性以及较好的注波互作用结果。

Description

一种两侧夹持的环杆带状线慢波结构
技术领域
本发明属于微波电真空器件技术领域，更为具体地讲，涉及一种两侧夹持的环杆带状线慢波结构即一种用于带状注行波管的注波互作用系统。
背景技术
行波管具有工作频带宽、输出功率大、互作用效率高及寿命长等特点，在军用及民用领域均有广泛应用。
目前发展较为成熟的行波管有螺旋线行波管、耦合腔行波管、折叠波导行波管等。由于尺寸共度效应，行波管尺寸随着工作频率升高而减小，传统加工方式受到限制。
为了适应新的微细加工方式，平面结构的慢波结构逐渐发展起来，传统的平面慢波结构包括基于微带的慢波结构和带状慢波结构。基于微带的慢波结构存在散热性能较差、微带线容易被部分散焦电子束轰击造成熔断、工作不稳定等缺点。带状慢波结构采用一定厚度的高熔点金属线，其散热性能以及抗电子轰击性能都要优于基于微带的慢波结构。现存的带状慢波结构的带状线多为U 型曲折线，在实际加工中存在容易变形的缺点，增加加工装配的难度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种两侧夹持的环杆带状线慢波结构，以解决U型带状线易变形的问题，同时，获得良好的传输特性以及较好的注波互作用结果。
为实现上述发明目的，本发明两侧夹持的环杆带状线慢波结构，其特征在于，包括：
一环杆带状线，其一个周期的结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，将一个周期结构向右或向左或向左右复制平移数个周期，相邻的金属杆连接得到环杆带状线；
两根夹持杆，夹持杆为截面为矩形的长方体结构，长度由环杆带状线长度决定(金属环复制平移连接起来的长度决定)，一根夹持杆位于环杆带状线的后侧，其一侧与环杆带状线后侧焊接(即与每个金属矩形环的后侧边焊接)、另一侧与金属腔体后侧壁中部位置焊接，另一根夹持杆位于于环杆带状线的前侧，其一侧与环杆带状线前侧焊接(即与每个金属矩形环的前侧边焊接)、另一侧与金属腔体前侧壁中部位置焊接，将环杆带状线支撑在金属腔体中部；
输入过渡段以及输入内导体，其中，输入过渡段由依次连接的多个周期结构和一段圆弧线组成，每个周期结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，而相邻的周期结构金属杆连在一起，连接在一起的周期结构一端的金属杆与环杆带状线一端的金属杆连接，连接在一起的周期结构另一端的金属杆与圆弧线的一端连接，圆弧线的另一端与输入内导体一端连接，输入内导体的另一端作为输入端；连接在一起的周期结构从环杆带状线一端向圆弧线一端的前后高度逐渐降低；
输出过渡段以及输出内导体，其中，输出过渡段由依次连接的多个周期结构和一段圆弧线组成，每个周期结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，而相邻的周期结构金属杆连在一起，连接在一起的周期结构一端的金属杆与环杆带状线另一端的金属杆连接，连接在一起的周期结构另一端的金属杆与圆弧线的一端连接，圆弧线的另一端与输出内导体一端连接，输出内导体的另一端作为输出端；连接在一起的周期结构从环杆带状线一端向圆弧线一端的前后高度逐渐降低。
本发明的目的是这样实现的。
本发明两侧夹持的环杆带状线慢波结构，环杆带状线的一个周期结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，这样其为一环一杆交替排列，同时，两根夹持杆前后侧将环杆带状线焊接固定到金属腔体中部，这样结构稳定性较高，不易变形。同时，设计适用于环杆带状慢波结构的输入输出过渡段，输入输出的过渡段使得环杆带状慢波结构可以获得良好的传输特性以及较好的注波互作用结果。
附图说明
图1是本发明两侧夹持的环杆带状线慢波结构应用互作用的金属腔体的一具体实施方式的局部剖切结构示意图；
图2是图1所示的环杆带状线一个周期结构的结构示意图；
图3是图1所示的夹持杆的结构示意图；
图4是图1所示的夹持杆与环杆带状线的位置关系图；
图5是图1所示的输入过渡段的结构示意图；
图6是图1所示的环杆带状线与输入过渡段、输出过渡段、输入内导体、输出内导体连接构成慢波结构的结构示意图；
图7是图1所示的两侧夹持的环杆带状线慢波结构应用互作用的金属腔体的侧视图；
图8是图1所示的两侧夹持的环杆带状线慢波结构应用互作用的金属腔体的前视图；
图9是图1所示的阴极发射块的结构示意图；
图10是环杆带状线直接与输入内导体、输出内导体连接构成慢波结构传输特性图；
图11是本发明即加入高度减变周期结构的慢波结构的传输特性图；
图12是本发明的注波互作用输出功率结果图；
图13是本发明的注波互作用增益结果图；
图14是本发明的注波互作用电子效率结果。
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。
图1是本发明两侧夹持的环杆带状线慢波结构应用互作用的金属腔体的一具体实施方式的局部剖切结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明两侧夹持的环杆带状线慢波结构包括环杆带状线5、两根夹持杆4、输入过渡段2、输入内导体6、输出过渡段7、输出内导体8。
在本实施例中，如图2所示，环杆带状线5的一个周期的结构由一个金属矩形环501以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆502组成，将一个周期结构向右或向左或向左右复制平移数个周期，相邻的金属杆连接得到如图1所示的环杆带状线5。
在本实施例中，如图2所示，环杆带状线5的一个周期的结构分为金属矩形环501和金属杆502两部分，其中金属矩形环的高度为H＝2～2.5mm，长度 L＝0.3～0.5mm，环的宽度W＝0.07～0.1mm，金属杆的宽度g＝0.1～0.12mm，两根金属杆的总长度(单根长度为c/2)为c＝0.2～0.3mm，金属环与金属杆的厚度t 一致，为t＝0.1mm，单周期的长度p为金属环的长度加上金属杆的长度，即为 p＝L+c＝0.5～0.8mm。
在本实施例中，如图3所示，夹持杆4为截面为矩形的长方体结构，长度由环杆带状线长度决定(金属环复制平移连接起来的长度决定)。在本实施例中，夹持杆宽度为W_sup＝0.3mm，夹持杆厚度为T_sup＝0.2mm，夹持杆长度由环杆带状线的周期长度p与周期数目n决定，L_sup＝n*p。夹持杆材料为氮化硼(BN)。
在本实施例中，如图4所示，一根夹持杆4(图中位于后侧的一根)位于环杆带状线5的后侧，其一侧与环杆带状线5后侧焊接(即与每个金属矩形环的后侧边焊接)、另一侧与金属腔体后侧壁301中部位置焊接(如图1所示)，另一根夹持杆4(图中位于前侧的一根)位于环杆带状线5的前侧，其一侧与环杆带状线5前侧焊接(即与每个金属矩形环的前侧边焊接)、另一侧与金属腔体前侧壁中部位置焊接(图1由于剖切未画出)，这样，如图1所示，将环杆带状线 5支撑在金属腔体3中部。
同时，如图4所示，两个阴极发射块1分别位于输入过渡段2外侧(左侧) 上下方，用于产生上下两个带状电子注，沿输入过渡段2、环杆带状线5以及输出过渡段7传输，与输入过渡段2、环杆带状线5以及输出过渡段7上传播的电磁波进行注波互作用。在本实施例中，两个阴极发射块1位于输入过渡段2左侧，与输入过渡段2最左侧边缘距离为b＝1mm。
在本实施例中，如图5所示，输入过渡段2由依次连接的多个周期结构201 和一段圆弧线202组成，每个周期结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，而相邻的周期结构金属杆连在一起。如图4所示，连接在一起的周期结构201一端的金属杆与环杆带状线一端的金属杆连接，如图5所示，连接在一起的周期结构201另一端的金属杆与圆弧线202 的一端连接，如图4所示，圆弧线的另一端与输入内导体6一端连接，输入内导体的另一端作为输入端；如图4、5所示，连接在一起的周期结构201从环杆带状线一端向圆弧线202一端的前后高度逐渐降低。
在本实施例中，如图4、5所示，从环杆带状线5过渡到输入内导体6，输入过渡段2由4个高度渐变的周期结构201和一个圆弧线202组成，高度渐变的周期结构与环杆带状线单周期结构只有高度的不同，其他尺寸保持不变，第一渐变周期的高度为H1＝0.8*H＝1.6～2mm，第二渐变周期的高度为 H2＝0.64*H＝1.28～1.6mm，第三渐变周期的高度为H3＝0.512*H＝1.024～1.28mm，第四段渐变周期的高度为H4＝0.4096*H＝0.8192～1.024mm。圆弧线202为一个 90°的圆弧，半径为R＝0.9mm，连接第四段高度渐变周期结构以及输入内导体6，此过渡段2的设计使得环杆带状线5的传输特性得到明显的改善。
如图4所示，输出过渡段7与输入过渡段2结构相同，输出过渡段7也由依次连接的多个周期结构和一段圆弧线组成，每个周期结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，而相邻的周期结构金属杆连在一起。如图4所示，连接在一起的周期结构一端的金属杆与环杆带状线另一端的金属杆连接，连接在一起的周期结构另一端的金属杆与圆弧线的一端连接，圆弧线的另一端与输出内导体8一端连接，输出内导体8的另一端作为输出端；连接在一起的周期结构从环杆带状线一端向圆弧线一端的前后高度逐渐降低。输出过渡段7、输出内导体8与输入过渡段2、输入内导体6结构完全相同，在此不再赘述。
图6是图1所示的环杆带状线与输入过渡段、输出过渡段、输入内导体、输出内导体连接构成慢波结构结构示意图。
在本实施例中，如图6所示，输入内导体6、输出内导体8的长度均为 L_port＝2.5～3.5mm，两根金属杆的总长度(单根长度为c/2)为c＝0.2～0.3mm，一个周期的长度p为金属环的长度加上金属杆的长度，即为p＝L+c＝0.5～0.8mm，。金属环与金属杆的厚度t一致，为t＝0.1mm。
图7是图1所示的两侧夹持的环杆带状线慢波结构应用互作用的金属腔体的侧视图。
两侧夹持的环杆带状线慢波结构置于真空的金属腔体中间，两个阴极发射块1位于两侧夹持的环杆带状线慢波结构上下对称位置，距离为d＝0.02mm。金属腔体的高度为H_air＝1～1.4mm，宽度W_air由金属环的高度H与夹持杆的宽度W_sup决定，即W_air＝H+2*W_sup。在工程实施中，夹持杆4一侧与环杆带状线5焊接、另一侧与金属腔体3前或后侧壁301中部位置焊接焊接，从而实现对环杆金属曲折慢波线的支撑。
图8是图1所示的两侧夹持的环杆带状线慢波结构应用互作用的金属腔体的前视图。
图8为给出输入输出端口尺寸，输入输出内导体的几何中心分别与输入输出端口的几何中心重合。输入输出端口的宽度W_port＝1.6mm，端口高度与金属腔体高度一致。输入端口与输出端口分别位于金属腔体的两侧。
图9是图1所示的阴极发射块的结构示意图。
由于本发明提出的两侧夹持的环杆带状线慢波结构是两侧夹持的慢波线结构，慢波线上下都可以传输电子，更好的与波进行相互作用，得到更高的效率。两个阴极发射块分别位于慢波线的左上方与左下方，阴极发射块的高度 H_c＝0.15mm，长度为L_c＝1.8～2.2mm，厚度为T_c＝0.3mm，其中阴极发射块的长度L_c不会超过金属矩形环的高度H，以免发射电子轰击两侧的夹持杆。
实施例对比
当环杆带状线周期为60，没有输入过渡段、输出过渡段高度减变周期结构，只使用圆弧线连接环杆带状线与输入输出内导体时，慢波结构的传输特性如图 10所示。可见其S11约为-5dB，波在其中几乎无法传播，反射十分严重。
当环杆带状线周期为60，加入高度减变周期结构，与圆弧线共同作为输入输出过渡段，连接环杆带状线与输入输出内导体时，慢波结构(即本发明)的传输特性如图11所示。
对比图10与图11可得，加入过渡周期之后，慢波结构的传输特性得到了大幅度改善，在32～40GHz频率范围内，S11低于-15dB，在-20dB左右，传输特性良好。
优化了传输特性之后，进行了注波互作用的仿真。
图12为33～40GHz频率范围内的输出功率结果，图13为增益结果，图14 为电子效率结果。当输入功率为1W，工作电压19kV，每一个阴极发射面发射电流0.1A，即总电流为0.2A时，可以在38GHz得到557W的输出功率(图12 所示)，对应增益为27.5dB(图13所示)，电子效率为14.7％(图14所示)，本发明获得良好的传输特性以及较好的注波互作用结果。
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 (2)

1.一种两侧夹持的环杆带状线慢波结构，其特征在于，包括：
一环杆带状线，其一个周期的结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，将一个周期结构向右或向左或向左右复制平移数个周期，相邻的金属杆连接得到环杆带状线；
两根夹持杆，夹持杆为截面为矩形的长方体结构，长度由环杆带状线长度决定，一根夹持杆位于环杆带状线的后侧，其一侧与环杆带状线后侧焊接即与每个金属矩形环的后侧边焊接、另一侧与金属腔体后侧壁中部位置焊接，另一根夹持杆位于于环杆带状线的前侧，其一侧与环杆带状线前侧焊接即与每个金属矩形环的前侧边焊接、另一侧与金属腔体前侧壁中部位置焊接，将环杆带状线支撑在金属腔体中部；
输入过渡段以及输入内导体，其中，输入过渡段由依次连接的多个周期结构和一段圆弧线组成，每个周期结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，而相邻的周期结构金属杆连在一起，连接在一起的周期结构一端的金属杆与环杆带状线一端的金属杆连接，连接在一起的周期结构另一端的金属杆与圆弧线的一端连接，圆弧线的另一端与输入内导体一端连接，输入内导体的另一端作为输入端；连接在一起的周期结构从环杆带状线一端向圆弧线一端的前后高度逐渐降低；
输出过渡段以及输出内导体，其中，输出过渡段由依次连接的多个周期结构和一段圆弧线组成，每个周期结构由一个金属矩形环以及分别位于左右两侧中间点的同厚度的两个金属杆组成，而相邻的周期结构金属杆连在一起，连接在一起的周期结构一端的金属杆与环杆带状线另一端的金属杆连接，连接在一起的周期结构另一端的金属杆与圆弧线的一端连接，圆弧线的另一端与输出内导体一端连接，输出内导体的另一端作为输出端；连接在一起的周期结构从环杆带状线一端向圆弧线一端的前后高度逐渐降低。
2.根据权利要求1所述的两侧夹持的环杆带状线慢波结构，其特征在于，所述输入过渡段、输出过渡段均由4个高度渐变的周期结构和一个圆弧线组成，第一渐变周期的高度为H1＝0.8*H＝1.6～2mm，第二渐变周期的高度为H2＝0.64*H＝1.28～1.6mm，第三渐变周期的高度为H3＝0.512*H＝1.024～1.28mm，第四段渐变周期的高度为H4＝0.4096*H＝0.8192～1.024mm，其中，H为金属矩形环的高度；
圆弧线为一个90°的圆弧，半径为R＝0.9mm，连接第四段高度渐变周期结构以及输入内导体。
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