CN111128646A - 一种矩形框-双杆慢波结构 - Google Patents

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于灿
钟辉
夏伟
胡文
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Abstract

本发明涉及一种矩形框‑双杆慢波结构，属于行波管放大器件。本发明包括矩形屏蔽筒1、介质基底2、框‑杆慢波电路；所述框‑杆慢波电路为矩形框‑双杆慢波电路，是在相邻的矩形金属线框之间连接一对呈对称分布的金属连接杆。本发明可以直接用电火花线在纵向和垂直两个方向整体切割加工，加工简单，整体性好，加工精度高，装配简单并容易保证精度。本发明采用相同电气参数的带状电子注与慢波结构中传播的电磁波进行互作用，与现有的框‑杆慢波结构相比较，不但具有更宽的工作频带，而且在工作频段具有更高的耦合阻抗，可以进一步提高行波管的工作带宽和输出功率。

Description

一种矩形框-双杆慢波结构
技术领域
本发明涉及一种矩形框-双杆慢波结构，属于行波管放大器件。
背景技术
行波管作为微波功率放大器件在通信、雷达以及电子对抗等领域具有广泛的应用。相对于固态电子器件而言，行波管具有宽频带、高增益和长寿命等突出优点。
在行波管的构成部件中，慢波系统是决定其性能优劣的一个关键部件。相速度小于光速的电磁波在慢波结构中传播，当电磁波的速度和外加电子注的速度满足同步条件时，二者将发生注-波互作用，电子注的动能被转换为电磁波的能量，实现微波功率的放大。
更高的工作频率和更大的输出功率是当前行波管发展的两个主要方向。传统的圆螺旋线慢波结构具有色散平坦的优点，基于该慢波结构的行波管可以达到倍频程的带宽。然而圆螺旋线的耦合阻抗较低，使得输出功率受到限制。为了提高行波管的输出功率，研究人员提出了矩形螺旋线和矩形框-单杆等慢波结构。矩形螺旋线具有与传统圆螺旋线接近的色散特性，但具有更大的耦合阻抗，而矩形框-单杆慢波结构属于双绕类螺旋线慢波结构，在相同结构参数条件下，矩形框-单杆慢波结构的耦合阻抗相比矩形螺旋线有显著提高。
虽然矩形框-单杆慢波结构的耦合阻抗相比矩形螺旋线有较大提高，但是矩形框-单杆慢波结构的工作频带相对较小。随着行波管工作频率的提高，慢波结构的尺寸变得越来越小，存在慢波结构加工难度大、加工精度低等问题，而尺寸的减小也使得电子注的通道尺寸变小，不利于大电流电子注通过。这些因素都阻碍了行波管向着高频率和高功率方向的发展需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种矩形框-双杆慢波结构，进一步提升框-杆慢波结构行波管的工作频带和输出功率。
一种矩形框-双杆慢波结构，包括矩形屏蔽筒1、介质基底2、框-杆慢波电路；
所述框-杆慢波电路为矩形框-双杆慢波电路，是在相邻的矩形金属线框之间连接一对呈对称分布的金属连接杆。
所述一对金属连接杆依次交替位于矩形金属线框的长边和短边的中心连线上。
所述一对金属连接杆依次交替位于矩形金属线框的对角上。
所述金属连接杆在相邻矩形金属线框间的长度全部相等或长度逐渐递增或长度逐渐递减或长度随机变化。
本发明可以直接用电火花线在纵向和垂直两个方向整体切割加工，加工简单，整体性好，加工精度高，装配简单并容易保证精度。
本发明采用相同电气参数的带状电子注与慢波结构中传播的电磁波进行互作用，与现有的框-杆慢波结构相比较，不但具有更宽的工作频带，而且在工作频段具有更高的耦合阻抗，可以进一步提高行波管的工作带宽和输出功率。
附图说明
图1是现有的框-杆慢波结构的示意图。
图2是本发明实施例1(框-中心双杆)的结构示意图。
图3是本发明实施例2(框-对角双杆)的结构示意图。
图4本发明实施例1的三维图。
图5本发明实施例2的三维图。
图6是本发明与现有的矩形框-单杆慢波结构的色散曲线对比示意图。
图7是本发明与现有的矩形框-单杆慢波结构的耦合阻抗对比示意图。
图中：1矩形屏蔽筒，2介质基底，4电子注通道，13矩形框-单杆慢波电路，23矩形框-中心双杆慢波电路，33矩形框-对角双杆慢波电路。
具体实施方式
实施例1：
一种矩形框-双杆慢波结构，包括矩形屏蔽筒1、介质基底2、框-杆慢波电路；所述框-杆慢波电路设置于矩形屏蔽筒1的中轴线上，在矩形屏蔽筒1和框-杆慢波电路之间布有横截面为矩形框的介质基底2，框-杆慢波电路内部则构成行波管的电子注通道4；所述框-杆慢波电路为矩形框-双杆慢波电路，由若干尺寸相同的矩形金属线框和相邻矩形金属线框之间的一对对称分布的金属连接杆组成；所述一对金属连接杆依次交替位于矩形金属线框的长边和短边的中心连线上，如图2所示。
实施例2：
一种矩形框-双杆慢波结构，包括矩形屏蔽筒1、介质基底2、框-杆慢波电路；所述框-杆慢波电路设置于矩形屏蔽筒1的中轴线上，在矩形屏蔽筒1和框-杆慢波电路之间布有横截面为矩形框的介质基底2，框-杆慢波电路内部则构成行波管的电子注通道4；所述框-杆慢波电路为矩形框-双杆慢波电路，由若干尺寸相同的矩形金属线框和相邻矩形金属线框之间的一对对称分布的金属连接杆组成；所述一对金属连接杆依次交替位于矩形金属线框的对角上，如图3所示。
本发明实施例相关参数：横截面为矩形框的介质基底2的相对介电常数为εr，矩形金属线框的内腔宽为a，内腔高为b，边厚为t，轴向厚度为w；金属连接杆长为L，杆宽等于矩形金属线框的轴向厚度同为w，杆厚等于矩形金属线框的边厚同为t；单个周期(相邻三个矩形金属线框之间长度)的矩形框-双杆慢波电路的周期长度为p。
具体参数设置如下：(除相对介电常数εr外，单位为：mm)：横截面为矩形框的介质基底2的相对介电常数εr为4，w＝0.05，t＝0.02，L＝0.2，a＝1.08，b＝2.16，c＝1.72，d＝2.80，p＝0.5；其中，c和d分别是矩形屏蔽筒1横截面的内腔宽和内腔高。利用三维电磁仿真软件建立上述参数的矩形框-双杆慢波结构并进行仿真，获得其色散特性和耦合阻抗，仿真结果如图6和图7所示。
从图6中比较可知：在相同参数条件下，本发明与现有的矩形框-单杆慢波结构有几乎完全一致的色散平坦性，但本发明具有显著的更宽工作带宽。现有的矩形框-单杆慢波结构的工作带宽限制在14.5GHz以下，而实施例1和实施例2的工作带宽都达到了27GHz，实施例1和实施例2的工作带宽在现有的矩形框-单杆慢波结构工作带宽的基础上提升了80％以上。而且，保持相同尺寸条件下改变结构参数，实施例1和实施例2的工作带宽在现有的矩形框-单杆慢波结构工作带宽的基础上提升了80％以上的结论同样成立。
从图7中的比较可以看出：在相同参数条件下，相对于现有的矩形框-单杆慢波结构，本发明在中高频段具有更高的耦合阻抗。在现有的矩形框-单杆慢波结构的中心频点7GHz处，实施例1的耦合阻抗和现有的矩形框-单杆慢波结构的耦合阻抗几乎完全相等，均为17欧姆；而实施例2的耦合阻抗略高，为20欧姆。在本发明的中心频点13.5GHz处，实施例1的耦合阻抗在7欧姆以上，实施例2的耦合阻抗在10欧姆以上，而现有的矩形框-单杆慢波结构的耦合阻抗在1欧姆以下。在7GHz-14GHz频率范围内，本发明实施例1的耦合阻抗比现有的矩形框-单杆慢波结构的耦合阻抗整体提高了40％以上。实施例1与实施例2相比较，实施例2的耦合阻抗又有了较大的提高。
综合图6和图7可知，在相同参数和工艺条件下，本发明能够工作在更高的频段、具有更宽的工作带宽，同时在工作频段还具有更高的耦合阻抗、可获得更高的输出功率。

Claims (4)

1.一种矩形框-双杆慢波结构，包括矩形屏蔽筒(1)、介质基底(2)、框-杆慢波电路；其特征是：
所述框-杆慢波电路为矩形框-双杆慢波电路，是在相邻的矩形金属线框之间连接一对呈对称分布的金属连接杆。
2.根据权利要求1所述的一种矩形框-双杆慢波结构，其特征是：所述一对金属连接杆依次交替位于矩形金属线框的长边和短边的中心连线上。
3.根据权利要求1所述的一种矩形框-双杆慢波结构，其特征是：所述一对金属连接杆依次交替位于矩形金属线框的对角上。
4.根据权利要求1所述的一种矩形框-双杆慢波结构，其特征是：所述金属连接杆在相邻矩形金属线框间的长度全部相等或长度逐渐递增或长度逐渐递减或长度随机变化。
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