CN114203502B - 一种基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构，在现有介质杆夹持菱形曲折线慢波结构基础上，通过金属外壳内部下侧表面刻出金属脊，减弱慢波结构的色散强度，从而提升行波管的工作频率和工作带宽，同时可以有效降低工作电压，提升行波管的效率；同时，金属慢波线的两侧夹持杆镶嵌在金属外壳内部的电子注宽边左右两侧，多根支撑金属慢波线的底侧夹持杆其下端卡在相邻金属脊之间形成的凹槽内，可以使结构更加的稳定，并且有效地解决了慢波结构的散热问题。此外，还通过将位于电子注宽边左右最外侧的两个底侧夹持杆的厚度沿电子注传输方向分为多段，并且厚度逐段加厚的方式来实现结构的相速度变化，从而抑制返波振荡，减小加工的难度。

Description

一种基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构

技术领域

本发明属于带状注平面慢波结构技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构，用于行波管放大器。

背景技术

行波管是一种重要的真空电子器件，在各个领域都有着广泛的应用。行波管的核心部分是慢波结构。慢波结构的种类有很多，例如螺旋线、耦合腔、折叠波导、交错双栅以及微带带状线及其变形结构。在其中，微带带状线结构由于其结构简单、便于集成化、易加工、可容纳片状电子注等特性而备受关注。

图1是现有介质杆夹持菱形曲折线慢波结构一种具体实施方式的结构示意图。

如图1所示，介质杆夹持菱形曲折线慢波结构是一种常见的带状注平面慢波结构，由微带线改进而来。其中，金属慢波线1为沿电子注传输方向水平中心对齐放置的一个个菱形金属线首尾相接而成的、具有周期性的平面图案结构，夹持杆3a镶嵌在金属外壳4的内部位于电子注宽边两侧，金属慢波线1的菱形金属线的长对角线与电子注宽边平行，两端对应的两个顶点分别被电子注宽边两侧的夹持杆3a夹持，短对角线与电子注传输方向平行，对应的两个顶点依次与相邻的菱形金属线的对应顶点连接。

现有介质杆支撑菱形曲折线慢波结构两侧采用介质支撑的方式可以较大程度上减少电荷在介质基底中的积累，同时可以容纳双电子注(金属慢波线1上下均可以传输电子注)，可以获得更低的电流密度，减小阴极的负荷。但是这种结构具有色散强、频带窄的缺点，而且散热困难，常常因为过热而不能工作。

此外，通常情况下，常常采用改变慢波结构单个周期p的长度来解决行波管出现返波振荡的问题，同时也提高了整管的输出功率和效率。但是，设计不同周期长度的带状线线过程繁琐，工作量大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构，一方面以减弱慢波结构的色散强度，从而提升行波管的工作频率和工作带宽，同时有效降低工作电压，提升行波管的效率，第二方面以增强结构的稳定性并解决慢波结构的散热问题，第三方面以抑制返波振荡，减小设计的难度。

为实现上述发明目的，本发明基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构，包括：

金属外壳，其内部为矩形结构，并有四个通孔，四个通孔为信号输入孔、信号输出孔、电子注输入孔和电子注输出孔，其具体形状需要根据需要进行设计；

一根金属慢波线，为沿电子注传输方向水平中心对齐放置的一个个菱形金属线首尾相接而成的、具有周期性的平面图案结构，菱形金属线的长对角线与电子注宽边平行，短对角线与电子注传输方向平行，短对角线对应的两个顶点依次与相邻的菱形金属线的对应顶点连接；

所述金属慢波线分为三个部分输入部分、中间部分以及输出部分，其中，输入部分沿电子注传输方向，其菱形金属线的长对角线长度逐周期增加，输出部分沿电子注传输方向，其菱形金属线的长对角线长度逐周期减小，而中间部分的菱形金属线的长对角线长度每个周期均相同且都大于输入部分、输出部分的菱形金属线的长对角线长度；

片状阴极发射的电子注位于金属慢波线上方，从电子注输入孔输入到金属外壳中，经过金属慢波线上方后从电子注输出孔输出；信号通过微带线经过信号输入孔输入到金属外壳中金属慢波线输入部分，经过金属慢波线输入部分、中间部分以及输出部分后，通过微带线经过信号出孔输出；

其特征在于，还包括：

多根金属脊，刻在金属外壳内部下侧表面；所述金属脊是一根具有一定厚度和宽度的沿电子注传输方向延展的金属片；

两侧夹持杆，分别镶嵌在金属外壳内部的电子注宽边左右两侧，将金属慢波线中间部分的菱形金属线的长对角线两端对应的两个顶点夹持；

多根底侧夹持杆，其高度大于金属脊的厚度，其下端卡在相邻金属脊之间形成的凹槽内，上端支撑金属慢波线；其中，位于电子注宽边左右最外侧的两根底侧夹持杆的厚度沿电子注传输方向分为多段，并且厚度逐段加厚。

本发明目的是这样实现的：

本发明基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构，在现有介质杆夹持菱形曲折线慢波结构基础上，通过金属外壳内部下侧表面刻出金属脊，减弱慢波结构的色散强度，从而提升行波管的工作频率和工作带宽，同时可以有效降低工作电压，提升行波管的效率；同时，金属慢波线的两侧夹持杆镶嵌在金属外壳内部的电子注宽边左右两侧，多根支撑金属慢波线的底侧夹持杆其下端卡在相邻金属脊之间形成的凹槽内，可以使结构更加的稳定，并且有效地解决了慢波结构的散热问题。此外，还通过将位于电子注宽边左右最外侧的两个底侧夹持杆的厚度沿电子注传输方向分为多段，并且厚度逐段加厚的方式来实现结构的相速度变化，从而抑制返波振荡，减小加工的难度。

附图说明

图1是现有介质杆夹持菱形曲折线慢波结构一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构一种具体实施方式结构示意图；

图3是图2所示金属慢波线的结构示意图；

图4是图3所示单周期菱形金属线的结构示意图；

图5是图2所示基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构的单周期结构示意图；

图6是图5所示单周期夹持杆的位置示意图；

图7是图5所示最外侧两根底侧夹持杆厚度渐变示意图；

图8是图1中一段涂敷衰减材料的脊加载金属慢波线和介质支撑杆的形状和位置示意图；

图9是图1所示慢波结构输入端的结构示意图；

图10是本发明和现有介质杆夹持菱形曲折线慢波结构色散特性和耦合阻抗的仿真结果比较图；

图11是本发明模式的横向电场随横向位置变化的示意图；

图12是本发明两根底侧夹持杆横向厚度变化对模式色散曲线的影响示意图；

图13是本发明加衰减器之前和加衰减器之后的传输特性仿真结果对比图；

图14是本发明的输入和输出信号图；

图15是本发明的输入和输出信号频谱图；

图16是本发明和现有介质杆夹持菱形曲折线慢波结构的输出功率和增益随频率变化对比图。

图17是本发明和现有介质杆夹持菱形曲折线慢波结构沿轴向的温度分布图。

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。

图2是本发明基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构一种具体实施方式结构示意图。

在本实施例中，如图2所示，本发明基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构包括一根金属慢波线1、多根金属脊2、两侧夹持杆3a、多根(三根)底侧夹持杆3b、3c、金属外壳4、片状阴极5、微波输入端6和微波输出端7。

金属外壳4内部为矩形结构，并有四个通孔，四个通孔为信号输入孔、信号输出孔、电子注输入孔和电子注输出孔，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。

金属慢波线1为沿电子注传输方向水平中心对齐放置的一个个菱形金属线首尾相接而成的、具有周期性的平面图案结构，菱形金属线的长对角线与电子注宽边平行，短对角线与电子注传输方向平行，短对角线对应的两个顶点依次与相邻的菱形金属线的对应顶点连接。

慢波结构注-波互作用方向一般称为慢波结构的轴向，与轴向垂直的方向称为慢波结构的横向，在直角坐标系中，横向又可以分为两个方向，与电子注宽边平行的方向称为Y向，与电子注窄边平行的方向称为X向，金属慢波线1沿Y向呈对称分布，具体形状由一个个菱形金属线沿Z向首尾相接而成。

在本实施例中，如图3所示，所述金属慢波线1分为三个部分输入部分1b、中间部分1a以及输出部分1c，其中，输入部分1b沿电子注传输方向，其菱形金属线的长对角线长度逐周期增加，输出部分1c沿电子注传输方向，其菱形金属线的长对角线长度逐周期减小，而中间部分1a的菱形金属线的长对角线长度每个周期均相同且都大于输入部分、输出部分的菱形金属线的长对角线长度。在本实施例中，输入部分1b为三个周期，菱形金属线的长对角线等比例增加，，输出部分1c为三个周期，菱形金属线的长对角线等比例减小。输入部分、输出部分分别通过折微带线1d和1e与微波输入端6和微波输出端7连接。

在本实施例中，如图4所示，单周期菱形金属线远离电子注位置即长对角线对应的两个角用圆弧替代，便于两侧夹持杆夹持，单周期菱形金属线位于电子注通道中心位置的两个角用直线段替代，便于相邻菱形金属线的连接。

如图1所示，片状阴极5发射的电子注位于金属慢波线1上方，从电子注输入孔输入到金属外壳4中，经过金属慢波线1上方后从电子注输出孔输出；信号通过折微带线经过信号输入孔输入到金属外壳中金属慢波线输入部分，经过金属慢波线输入部分、中间部分以及输出部分后，通过折微带线经过信号出孔输出。

多根金属脊2刻在金属外壳4内部下侧表面；所述金属脊是一根具有一定厚度和宽度的沿电子注传输方向延展的金属片。在本实施例中，如图5所示，单周期的长度为p，有四根金属脊2。多根金属脊2离带状线比较近，但是不接触。金属脊2的分布可以压缩电场，可以用来增强轴向的电场强度和拓宽带宽。金属脊2的具体深度需要根据需要进行设计，会影响3dB带宽的大小。

在本实施例中，如图1、5、6所示，两侧夹持杆3a分别镶嵌在金属外壳4内部的电子注宽边左右两侧，将金属慢波线1中间部分的菱形金属线的长对角线两端对应的两个顶点夹持。两侧夹持杆3a多余部分可以卡在金属外壳2中，从而保证了结构的稳定性。

如图5所示，多根(三根)底侧夹持杆3b、3c的高度大于四根金属脊2的厚度，其下端卡在相邻金属脊2之间形成的凹槽内，上端支撑金属慢波线1，用于支撑和散热。

在本实施例中，位于电子注宽边左右最外侧的两根底侧夹持杆3b的Y向厚度变化沿电子注传输方向即Z向分布如图7所示，位于电子注宽边左右最外侧的两根底侧夹持杆3b的厚度沿电子注传输方向分为多段，并且厚度逐段加厚。Z向夹持杆个数和所占周期数需要根据具体情况确定。在本实施例中，电子注宽边左右最外侧的两根底侧夹持杆3b采用5段不同厚度的夹持杆，分别为3b1、3b2、3b3、3b4、3b5，厚度分别为80um、90um、100um、110um、120um，每段夹持杆占24个周期。这样通过改变底端两侧的夹持杆3b沿着Y向的厚度S2来改变模式相速度的大小从而达到抑制返波的目的。

在本实施例中，如图8所示，本发明基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构中间的一段多个介质支撑脊加载金属慢波线的俯视图，其中两侧夹持杆3a和底端中间夹持杆3c涂敷衰减材料，衰减材料所占的周期可以根据实际情况来确定。在本实施例中，基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构有120个周期，中间15个周期涂敷衰减材料。

图9给出了本发明实施例慢波结构输入端的结构示意图，该结构包含电子输入端5和微波输入端6以及金属外壳4，馈入结构采用单脊阶梯波导，折微带线1d通过底面为梯形结构的四棱柱6d连接到馈入结构，其中3个阶梯波导为6a、6b、6c。

图10是本发明应用于V波段的实施例和现有结构的色散特性和耦合阻抗仿真结果对比图，表面实施例结构在V波段具有更加平缓的色散特性、更低的电子注电压和良好的互作用强度。

图11是本发明实施例中基模电场和高次模电场沿横向的分布，可以看出来高次模的电场强度和基模电场强度幅值很接近，故需要抑制高次模带来的干扰。

图12是本发明实施例中底端两侧夹持杆厚度变化对色散特性的影响，从图11中可以看出两侧夹持杆厚度变化对基模影响不大，对高次模的相速度影响较大，对应的高次模同步电压变化也更大，所以高次模可以有效被分隔开，从而有效抑制高次模的返波振荡。

图13是本发明应用于V波段的实施例的传输特性仿真结果图，对比了加衰减器前后S参数变化情况，表明本发明对V波段的电磁波具有良好的传输特性。

图14是本发明应用于V波段的实施例的输入输出信号图，其中虚线表示输入信号，实线表示输出信号，可以看出，在10ns的仿真时间内，输出信号稳定，没有观察到明显的振荡信号，为了更清楚对比输入信号和输出信号的大小，将右图中0.5ns内的输入信号进行放大展示在左图中。

图15是本发明实施例的输出信号频谱图，其中为了更清楚观察到谐波和返波信号，将60GHz的信号进行放大。可以看出输出信号频谱纯净，杂模几乎没有干扰。

图16是本实施例和现有介质杆夹持菱形曲折线慢波结构的输出功率和增益随输入信号频率变化的对比图，相比较于现有模型，本发明实施例中信号的3dB带宽有9.5GHz，是现有模型带宽的1.5倍，虽然本发明实施例输出功率略有降低，但是本模型具有更高的增益。

图17是本实施例和现有介质杆夹持菱形曲折线慢波结构沿轴向温度分布图，现有慢波结构最高温度有750℃，本实施例最高温度为130℃，本实施例很好的解决了现有模型的散热问题。

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)

1.一种基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构，包括：

金属外壳，其内部为矩形结构，并有四个通孔，四个通孔为信号输入孔、信号输出孔、电子注输入孔和电子注输出孔，其具体形状需要根据需要进行设计；

一根金属慢波线，为沿电子注传输方向水平中心对齐放置的一个个菱形金属线首尾相接而成的、具有周期性的平面图案结构，菱形金属线的长对角线与电子注宽边平行，短对角线与电子注传输方向平行，短对角线对应的两个顶点依次与相邻的菱形金属线的对应顶点连接；

所述金属慢波线分为三个部分输入部分、中间部分以及输出部分，其中，输入部分沿电子注传输方向，其菱形金属线的长对角线长度逐周期增加，输出部分沿电子注传输方向，其菱形金属线的长对角线长度逐周期减小，而中间部分的菱形金属线的长对角线长度每个周期均相同且都大于输入部分、输出部分的菱形金属线的长对角线长度；

片状阴极发射的电子注位于金属慢波线上方，从电子注输入孔输入到金属外壳中，经过金属慢波线上方后从电子注输出孔输出；信号通过微带线经过信号输入孔输入到金属外壳中金属慢波线输入部分，经过金属慢波线输入部分、中间部分以及输出部分后，通过微带线经过信号出孔输出；

其特征在于，还包括：

多根金属脊，刻在金属外壳内部下侧表面；所述金属脊是一根具有一定厚度和宽度的沿电子注传输方向延展的金属片；

两侧夹持杆，分别镶嵌在金属外壳内部的电子注宽边左右两侧，将金属慢波线中间部分的菱形金属线的长对角线两端对应的两个顶点夹持；

多根底侧夹持杆，其高度大于金属脊的厚度，其下端卡在相邻金属脊之间形成的凹槽内，上端支撑金属慢波线；其中，位于电子注宽边左右最外侧的两根底侧夹持杆的厚度沿电子注传输方向分为多段，并且厚度逐段加厚。

2.根据权利要求1所述的基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构，其特征在于：菱形金属线远离电子注位置即长对角线对应的两个角用圆弧替代，便于两侧夹持杆夹持，菱形金属线位于电子注通道中心位置的两个角用直线段替代，便于相邻菱形金属线的连接。

3.根据权利要求1所述的基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构，其特征在于，两侧夹持杆和底端中间夹持杆涂敷衰减材料，衰减材料所占的周期可以根据实际情况来确定。

4.根据权利要求1所述的基于多个介质杆支撑脊加载菱形曲折线慢波结构，其特征在于，两侧夹持杆多余部分可以卡在金属外壳中，从而保证了结构的稳定性。

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