CN113345779B - 一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统 - Google Patents

一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，涉及微波电真空技术领域，其技术方案要点是：真空腔侧壁设有两组第一凸起和两组第二凸起，两组第一凸起和两组第二凸起均位于介质基底中设置微带慢波线的一侧；两组第一凸起、两组第二凸起均沿微带慢波线的微波传播方向间隔设置，且两组第二凸起位于两组第一凸起之间；第一凸起沿的横向宽度大于第二凸起的横向宽度。本发明通过创新性的改变金属外壳内壁的形状，使多处传播微波的截止频率发生突变，即在慢波结构中引入了新的容抗和感抗，达到滤除波导模式，提高慢波结构传输性能的作用，有效克服了宽介质基底微带慢波结构在传输微波信号时反射和传输损耗较大的问题。

Description

一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统
技术领域
本发明涉及微波电真空技术领域，更具体地说，它涉及一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统。
背景技术
微波电真空器件是指在真空状态下，利用带电粒子在电极间的运动过程实现微波信号的振荡或者放大的一种电子系统，以大功率、高频率、抗辐照、环境适应性强等优点被应用于国防武器装备和国民经济的多个领域。
目前，行波管是微波真空电子器件中应用最广泛的功率放大器之一。作为行波管中电子注和微波进行注波互作用的核心场所，慢波结构的性能很大程度上影响了行波管的工作性能。传统的慢波结构，如螺旋线慢波结构，它的输出功率高、工作频段宽、使用寿命长，在工业、医疗、军事和卫星通信等领域都做出了卓越的贡献。但随着工作频段增高至毫米波甚至太赫兹波段，慢波结构的尺寸变得极其微小，此类结构的加工和装配变得难以实现。为了解决上述问题，一种可采用微细加工技术进行加工，且易于集成、造价低、可批量加工的微带平面型慢波结构应运而生。
如图1与图2所示，微带慢波结构传输系统由介质基底、微带慢波线、金属外壳和输入输出波导组成。在金属外壳中，微带慢波线置于介质基底上，从输入端波导输入的微波沿微带慢波线的上表面轴向传播，与慢波线上方真空腔中通过的电子注进行注波互作用，从而实现微波信号的放大，信号最终从输出端波导输出。在进行微带慢波结构的加工时，一种方法是采用激光切割加人工裂片的方式，从标准2寸基底片上划分得到所需的慢波结构小单元。这就要求每个慢波结构单元的介质基底具有较宽的横向宽度，以预留足够的空间进行裂片的操作。但当介质基底横向宽度较宽时，微带慢波结构与输入输出波导将难以达到良好匹配，导致部分微波从波导输入后未转换为微带传播所需的准TEM模，而仍以波导模式在慢波结构中传播，进而导致微带慢波传输系统的反射较大、传输性能极差，这将影响该慢波结构的正常工作。
因此，如何设计一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统是本发明要解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，包括金属外壳和设有微带慢波线的介质基底，金属外壳内设有真空腔、输入波导、输出波导，介质基底安装在真空腔内，且介质基底两端分别置于输入波导、输出波导内，所述真空腔侧壁设有两组第一凸起和两组第二凸起，两组第一凸起和两组第二凸起均位于介质基底中设置微带慢波线的一侧；
两组第一凸起、两组第二凸起均沿微带慢波线的微波传播方向间隔设置，且两组第二凸起位于两组第一凸起之间；
第一凸起沿介质基底横向宽度方向的横向宽度大于第二凸起的横向宽度；
进一步的，每组所述第一凸起、每组第二凸起均包括两个呈间隙设置且对称分布在真空腔两侧壁的凸起；
两所述第一凸起相对面中靠近介质基底的拐角呈缺口设置，第一凸起形成L型凸起。
进一步的，两组所述第一凸起分别分布在真空腔靠近输入波导、输出波导的端口处；一组第二凸起与相邻的第一凸起间隔设置，另一组第二凸起与相邻的第一凸起呈零间距设置。
进一步的，两组第二凸起之间间距小于呈相邻间隔设置的第二凸起、第一凸起之间间距。
进一步的，所述第一凸起沿微带慢波线的微波传播方向的轴向宽度小于第二凸起的轴向宽度。
进一步的，所述真空腔的横向宽度为2.49mm，同组中两个第一凸起之间的间隙宽度为0.8mm，同组中两个第二凸起之间的间隙宽度为1.59mm。
进一步的，所述微带慢波线为U形结构、N形结构、V形结构、环形结构等周期微带慢波结构中的任意一种。
进一步的，所述微带慢波线的线宽为0.03mm，厚度为0.003mm，横向宽度为0.41mm，周期长度为0.132mm；
所述介质基底的横向宽度为2.49mm，轴向长度为6.88mm，厚度为0.19mm。
进一步的，所述输入波导、输出波导的横向宽度为1.27mm，纵向宽度为2.54mm。
进一步的，所述输入波导、输出波导均采用W波段的标准波导，频段为75-110GHz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，通过改变金属外壳内壁的形状，改变微带慢波线上方真空腔的几处横向宽度及高度，从而使对应几处传播微波的截止频率发生了突变，相当于在慢波结构中引入了新的容抗和感抗，达到滤除波导模式，提高慢波结构传输性能的作用，有效克服了宽介质基底微带慢波结构在传输微波信号时反射、传输损耗较大的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是现有微带慢波结构传输系统的剖视图；
图2是现有微带慢波结构传输系统的截面俯视图；
图3是本发明实施例中的剖视图；
图4是本发明实施例中的截面俯视图；
图5是本发明实施例中U形微带慢波结构的示意图；
图6是图5中A处的放大示意图；
图7是本发明实施例中反射系数S11对比图；
图8是本发明实施例中传输系数S21对比图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、金属外壳；2、真空腔；3、介质基底；4、微带慢波线；5、输入波导；6、输出波导；7、第一凸起；8、第二凸起。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图3-8，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：一种适用于宽介质基底3的微带慢波结构传输系统，如图3与图4所示，包括金属外壳1和设有微带慢波线4的介质基底3，金属外壳1内设有真空腔2、输入波导5、输出波导6，介质基底3安装在真空腔2内，且介质基底3两端分别置于输入波导5、输出波导6内，真空腔2侧壁设有两组第一凸起7和两组第二凸起8，两组第一凸起7和两组第二凸起8均位于介质基底3中设置微带慢波线4的一侧。两组第一凸起7、两组第二凸起8均沿微带慢波线4的微波传播方向间隔设置，且两组第二凸起8位于两组第一凸起7之间。第一凸起7沿介质基底3横向宽度方向的横向宽度大于第二凸起8的横向宽度。
需要说明的是，本实施例中的输入波导5、输出波导6仅是作为一种示例，输入波导5、输出波导6的位置可直接进行交换，在此并不限制。
如图3与图4所示，每组第一凸起7、每组第二凸起8均包括两个呈间隙设置且对称分布在真空腔2两侧壁的凸起。需要说明的是，每组第一凸起7、每组第二凸起8也可以为单一的凸起，还可以为沿真空腔2深度方向间隔堆叠设置的多个凸起。此外，两个第一凸起7的相对面中靠近介质基底3的拐角呈缺口设置，第一凸起7形成L型凸起。
如图3与图4所示，两组第一凸起7分别分布在真空腔2靠近输入波导5、输出波导6的端口处；一组第二凸起8与相邻的第一凸起7间隔设置，另一组第二凸起8与相邻的第一凸起7呈零间距设置。需要说明的是，零间距设置可以通过一体成型制备而成。
如图3与图4所示，在本实施例中，两组第二凸起8之间间距小于呈相邻间隔设置的第二凸起8、第一凸起7之间间距。
如图3与图4所示，在本实施例中，第一凸起7沿微带慢波线4的微波传播方向的轴向宽度小于第二凸起8的轴向宽度。
微带慢波线4为U形结构、N形结构、V形结构、环形结构等周期微带慢波结构中的任意一种。
本发明通过改变金属外壳1内壁形状，改变微带慢波线4与输入输出波导6匹配段附近真空腔2的横向宽度及高度，达到滤除慢波结构中的波导模式，进而改良慢波结构传输性能的目的。该传输系统对所有使用宽介质基底3的微带慢波结构均适用，为方便理解，本发明中现以U形的微带线慢波结构为例进行说明。
如图4-图6所示，U形微带慢波线4的线宽为a，厚度为t，横向宽度为w，周期长度为p；介质基底3的横向宽度为b，轴向长度为L，厚度为h；金属外壳1内壁的横向宽度也为b，也可理解为金属外壳1的非异形部分横向宽度；同组中两个第一凸起7之间的间隙宽度为b1，同组中两个第二凸起8之间的间隙宽度为b2，也可理解为异形部分横向宽度。
真空腔2的横向宽度b为2.49mm，同组中两个第一凸起7之间的间隙宽度b1为0.8mm，同组中两个第二凸起8之间的间隙宽度b2为1.59mm。
此外，微带慢波线4的线宽a为0.03mm，厚度t为0.003mm，横向宽度w为0.41mm，周期长度p为0.132mm；
介质基底3的横向宽度b为2.49mm，轴向长度L为6.88mm，厚度h为0.19mm。
此外，输入波导5、输出波导6的横向宽度为1.27mm，纵向宽度为2.54mm。输入波导5、输出波导6均采用W波段的标准波导，频段为75-110GHz。其中，频段为90-102GHz的效果最佳。
如图7与图8所示，针对上述90-102GHz频段的现有微带慢波结构传输系统和本发明适用于宽介质基底3的微带慢波结构传输系统。利用三维电磁仿真软件CST分别对两种传输系统的S参数进行计算，图7为二者反射系数S11对比图，图8为二者传输系数S21对比图。从仿真结果可以看出，在使用异形金属外壳1进行波导模式的滤除后，U形微带线慢波结构的反射参数S11显著减小，传输参数S21明显增大，意味着该慢波结构的反射损耗、传输损耗都得到了有效减小，其传输性能得到了显著提升。
工作原理：通过改变金属外壳1内壁的形状，改变微带慢波线4上方真空腔2的几处横向宽度及高度，从而使对应几处传播微波的截止频率发生了突变，相当于在慢波结构中引入了新的容抗和感抗，达到滤除波导模式，提高慢波结构传输性能的作用，有效克服了宽介质基底3微带慢波结构在传输微波信号时反射和传输损耗较大的问题。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，包括金属外壳(1)和设有微带慢波线(4)的介质基底(3)，金属外壳(1)内设有真空腔(2)、输入波导(5)、输出波导(6)，介质基底(3)安装在真空腔(2)内，且介质基底(3)两端分别置于输入波导(5)、输出波导(6)内，其特征是，所述真空腔(2)的内壁设有两组第一凸起(7)和两组第二凸起(8)，两组第一凸起(7)和两组第二凸起(8)均位于介质基底(3)中设置微带慢波线(4)的一侧；
两组第一凸起(7)、两组第二凸起(8)均沿微带慢波线(4)的微波传播方向间隔设置，且两组第二凸起(8)位于两组第一凸起(7)之间；
第一凸起(7)沿介质基底(3)横向宽度方向的横向宽度大于第二凸起(8)的横向宽度；
改变微带慢波线上方真空腔的几处横向宽度及高度，使对应几处传播微波的截止频率发生突变，达到滤除波导模式。
2.根据权利要求1所述的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，其特征是，每组所述第一凸起(7)、每组第二凸起(8)均包括两个呈间隙设置且对称分布在真空腔(2)两侧壁的凸起；
两所述第一凸起(7)相对面中靠近介质基底(3)的拐角呈缺口设置，第一凸起(7)形成L型凸起。
3.根据权利要求1所述的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，其特征是，两组所述第一凸起(7)分别分布在真空腔(2)靠近输入波导(5)、输出波导(6)的端口处；一组第二凸起(8)与相邻的第一凸起(7)间隔设置，另一组第二凸起(8)与相邻的第一凸起(7)呈零间距设置。
4.根据权利要求1所述的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，其特征是，两组第二凸起(8)之间间距小于呈相邻间隔设置的第二凸起(8)、第一凸起(7)之间间距。
5.根据权利要求1所述的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，其特征是，所述第一凸起(7)沿微带慢波线(4)的微波传播方向的轴向宽度小于第二凸起(8)的轴向宽度。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，其特征是，所述真空腔(2)的横向宽度为2.49mm，同组中两个第一凸起(7)之间的间隙宽度为0.8mm，同组中两个第二凸起(8)之间的间隙宽度为1.59mm。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，其特征是，所述微带慢波线(4)为U形结构、N形结构、V形结构、环形结构的周期微带慢波结构中的任意一种。
8.根据权利要求1-5任意一项所述的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，其特征是，所述微带慢波线(4)的线宽为0.03mm，厚度为0.003mm，横向宽度为0.41mm，周期长度为0.132mm；
所述介质基底(3)的横向宽度为2.49mm，轴向长度为6.88mm，厚度为0.19mm。
9.根据权利要求1-5任意一项所述的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，其特征是，所述输入波导(5)、输出波导(6)的横向宽度为1.27mm，纵向宽度为2.54mm。
10.根据权利要求1-5任意一项所述的一种适用于宽介质基底的微带慢波结构传输系统，其特征是，所述输入波导(5)、输出波导(6)均采用W波段的标准波导，频段为75-110GHz。
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