CN116313696A

CN116313696A - 一种悬置加脊型微带线平面慢波结构

Info

Publication number: CN116313696A
Application number: CN202310105678.5A
Authority: CN
Inventors: 刘星; 王战亮; 王少萌; 杜菲霏; 汪雨馨; 董洋; 郭靖宇; 宫玉彬
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2023-02-13
Filing date: 2023-02-13
Publication date: 2023-06-23

Abstract

本发明公开了一种悬置加脊型微带线平面慢波结构，与常规悬置微带线慢波结构不同，将周期性金属U形曲折微带线悬置起来，同时在微带线直线段部分加上了一段金属脊，这样表面印制有周期性加脊金属曲折微带线的介质基板主要起支撑作用，电磁波则主要分布在介质基板上下两侧的真空腔中，周期性金属曲折微带线上方将具有较强的纵向电场分布，因为在微带线的直线段加入了一段金属脊，从而可以进一步获得较大的耦合阻抗，最终提高微带线平面行波管放大器的互作用效率。以W波段的一个U型周期性悬置金属曲折微带线慢波结构为例，通过将U型周期性悬置金属曲折微带线加脊，在96GHz处的耦合阻抗提高了194％。

Description

一种悬置加脊型微带线平面慢波结构

技术领域

本发明属于微波电真空技术领域，更为具体地讲，涉及一种悬置加脊型微带线平面慢波结构。

背景技术

作为一类重要的微波、毫米波功率源，电真空器件被广泛应用在通信、制导、遥感等技术领域。电真空器件虽然具有高功率、高增益、高效率、高频率和长寿命的优点，但固态功率放大器件具有体积小、重量轻、可集成的特点，伴随着其快速向高频段、大功率方向发展，正对电真空器件形成越来越大的挑战。如何在保证电真空器件优势的同时，实现小型化、低电压，从而更好地适应科技发展的需求，是微波电真空器件的一个重要发展方向。

微波功率模块结合了电真空功率放大器和固态功率放大器件的优势，非常适合于机载系统、通信卫星等对器件尺寸及重量有着严格要求的应用场景。目前微波功率模块中的电真空功率放大器采用的基本都是螺旋线行波管。螺旋线行波管具有宽频带、高效率及低电压等优势。但在高频段(>65GHz)，螺旋线的加工和装配都变得非常困难。另外，螺旋线慢波结构为三维结构，难以与固态电路进行集成化设计。这些因素限制了微波功率模块向高频段及集成化方向发展。

微带线平面行波管放大器具有体积小、重量轻和易加工等优势，是取代微波功率模块中的螺旋线行波管的潜在选择之一。微带线平面行波管放大器采用微带线慢波结构作为互作用电路。微带线慢波结构为二维结构，易于与固态电路集成设计；在高频端，平面的微带线慢波结构也易于采用MEMS等微细加工工艺进行加工。这些优势使得微带线慢波结构的平面行波管放大器的应用前景较为广阔。

但微带线慢波结构也存在一些问题：介质基板置于金属微带线下表面，微带线慢波结构传输的电磁波为准TEM波，电磁波主要集中在介质基板中；在微带线上表面的电磁场则以表面波的形式存在，电磁波随着远离微带线的距离成指数衰减。因此，微带线慢波结构上表面的纵向电场较弱。

耦合阻抗是评价慢波结构能否有效与电子注进行互作用的参数，其计算公式如下

Kc＝Ezm^2/2*β^2*P

其中，Kc为耦合阻抗，Ezm为电子注中心处通过的位置上的纵向电场幅值，P为通过慢波系统的功率流，β为相位常数。

从上式中可以看出，由于常规微带线慢波结构中较弱的纵向电场导致耦合阻抗也较低，最终使得微带线平面行波管放大器的互作用效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种悬置加脊型微带线平面慢波结构，以有效地提高微带线慢波结构的纵向电场幅值，进而较大程度提升微带线慢波结构的耦合阻抗，同时也易于加工。

为实现上述发明目的，本发明悬置加脊型微带线平面慢波结构，包括：真空的矩形金属屏蔽腔，在矩形金属屏蔽腔内侧传输方向中心两侧开槽，印制有周期性金属曲折微带线的介质基板嵌入槽中，以悬空的方式放置，从而构成一种悬置型微带线慢波结构；

所述周期性金属曲折微带线的单周期为U型结构，即单周期由一个半圆微带线，并在半圆微带线的两端分别延伸一段直线微带线，在延伸的直线末端分别向外连接一个半径与所述半圆微带线半径相等的四分之一圆弧微带线，这样U型结构一次沿传输方向依次连接，构成所述的周期性金属曲折微带线；

其特征在于：

在U型结构的直线微带线部分加上一段金属脊，所述的金属脊为U型结构的直线微带线部分中点前后一定长度，两侧进行加宽得到。

本发明的目的是这样实现的。

本发明悬置加脊型微带线平面慢波结构，与常规悬置微带线慢波结构不同，将周期性金属U形曲折微带线悬置起来，同时在微带线直线段部分加上了一段金属脊，这样表面印制有周期性加脊金属曲折微带线的介质基板主要起支撑作用，电磁波则主要分布在介质基板上下两侧的真空腔中，周期性金属曲折微带线上方将具有较强的纵向电场分布，因为在微带线的直线段加入了一段金属脊，从而可以进一步获得较大的耦合阻抗，最终提高微带线平面行波管放大器的互作用效率。以W波段的一个U型周期性悬置金属曲折微带线慢波结构为例，通过将U型周期性悬置金属曲折微带线加脊，在96GHz处的耦合阻抗提高了194％。

另外，为了使得加脊微带线慢波结构有较高的互作用效率，微带线慢波结构一般采用有较大横宽比的带状电子注进行互作用，且带状电子注需尽可能靠近金属微带线表面，这使得基于微带线慢波结构的平面行波管的聚焦系统的设计较为困难，难以在实际的制管过程中实现。通过采用悬置加脊的方式，可以使得在距离微带线表面较远的位置仍然具有较强的纵向电场，使得即使采用圆形电子注也能够有较好的互作用效果，从而可以降低微带线型平面行波管放大器的聚焦磁场的设计难度。

附图说明

图1是本发明悬置加脊型微带线平面慢波结构一种具体实施方式的单周期结构示意图；

图2是图1所述单周期结构侧面示意图；

图3是图1所示介质基板和加脊金属曲折微带线的俯视示意图；

图4是现有悬置微带线慢波结构一种具体实施方式单周期示意图；

图5是图4所述单周期结构侧面示意图；

图6是图4的介质基板和加脊金属曲折微带线的俯视示意图；

图7是图1中本发明的微带线慢波结构与同尺寸的图4的现有悬置微带线慢波结构的色散曲线的对比图；

图8是图1中本发明的微带线慢波结构与同尺寸的图4的现有悬置微带线慢波结构的耦合阻抗的对比图。

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。

在本发明中，在U型结构的直线微带线部分加上一段金属脊，所述的金属脊为U型结构的直线微带线部分中点前后一定长度，两侧进行加宽得到。这样，传统的周期性金属曲折微带线改进为周期性加脊金属曲折微带线。

图1是本发明微带线慢波结构一种具体实施方式的结构的单周期示意图。

在本实施例中，如图1所示，本发明悬置加脊型微带线平面慢波结构包括真空的矩形金属屏蔽腔1a以及表面印制有周期性加脊金属曲折微带线2a的介质基板3a。

在矩形金属屏蔽腔1a内侧中心纵向(传输方向)两侧开槽即凹槽c1，将印制有周期性加脊金属曲折微带线2a的介质基板3a嵌入槽中即凹槽c1中，这样周期性加脊金属曲折微带线2a以悬空的方式放置，从而构成一种悬置加脊型微带线平面慢波结构，电子注(未画出)从位于介质基板3a的周期性加脊金属曲折微带线2a的上方通过，实现与电磁波的互作用。

在本实施例中，如图2和图3所示，本发明悬置加脊型微带线平面慢波结构的尺寸如下：介质基板3a的介电常数为ε，介质基板3a的厚度为y，横向长度为x，周期性加脊金属曲折微带线2a的周期长度为p，宽度为w，厚度为t，l是微带线直线段的长度，rid是微带线的半径，jx是脊沿x向的长度，即直线微带线部分中点前后一定长度，jz是脊沿z向宽度即两侧加宽后宽度的一半，介质基板上表面距离矩形金属屏蔽腔内上侧的高度为hs，矩形金属屏蔽腔的内侧宽度为a，b为金属屏蔽腔的高度。

在本实施例中，支撑介质为石英，介电常数ε＝3.8。具体的结构参数尺寸如下(单位：mm)：y＝0.128，x＝0.1，p＝0.12，w＝0.02，t＝0.02，l＝0.3，hs＝0.435，a＝0.7，b＝0.87，rid＝0.02，jx＝0.2，jz＝0.02。即在本实施例中，脊沿z向宽度为0.04，相对于金属曲折微带线的宽度0.02，加宽了一倍，即两侧加宽后宽度为金属曲折微带线宽度的两倍。

本发明悬置加脊型微带线平面慢波结构，可采用单一的介质基板悬空放置外，也可上下镜像对称两块介质基板悬空放置。

在本实施例中，如图4所示，作为对照，悬置微带线慢波结构也包括真空的矩形金属屏蔽腔1b以及表面印制有周期性金属曲折微带线2b的介质基板3b。

在矩形金属屏蔽腔1b内侧中心纵向(传输方向)两侧开槽即凹槽c2，将印制有周期性金属曲折微带线2b的介质基板3b嵌入槽中即凹槽c2中，这样周期性金属曲折微带线2b以悬空的方式放置，从而构成一种悬置型微带线慢波结构，电子注(未画出)从位于介质基板3b的周期性金属曲折微带线2b的上方通过，实现与电磁波的互作用。

图5是图4的这种具体实施方式的结构侧面示意图；

图6是图4的这种具体实施方式的支撑介质和微带线结构的俯视示意图；

在本实施例中，如图5和图6所示，这种微带线慢波结构的尺寸如下：介质基板3b的介电常数为ε，介质基板3b的厚度为y，横向长度为x，周期性金属曲折微带线2b的周期长度为p，宽度为w，厚度为t，l是微带线直线段的长度，rid是微带线的半径，介质基板上表面距离矩形金属屏蔽腔内上侧的高度为hs，矩形金属屏蔽腔的内侧宽度为a，b为金属屏蔽腔的高度。

在本实施例中，支撑介质为石英，介电常数ε＝3.8。具体的结构参数尺寸如下(单位：mm)：y＝0.128，x＝0.1，p＝0.12，w＝0.02，t＝0.02，l＝0.3，hs＝0.435，a＝0.7，b＝0.87，rid＝0.02。

在这两种具体实施例中，图1与图4这两种单周期的微带线模型的区别是一个加脊，另一个没有加脊，其余的尺寸参数一致。

利用三维电磁仿真软件，采用图2和图3，以及图5和图6中所示的结构和尺寸，对本发明微带线慢波结构进行仿真计算，得到高频特性参数，并且与相同尺寸的图4这种悬置不加脊的微带线慢波结构进行了对比。

图7是图1中本发明微带线慢波结构与同尺寸的图4现有悬置微带线慢波结构的色散曲线对比图；

印制在介质基板上的金属层除可采用周期性的金属微带线外，也可采用其他形式的平面结构。在本实施例中，如图4所示，对本发明图1的微带线慢波结构进行变形，将印制在介质基板3b上的周期性金属曲折微带线2b替换为不加脊的形式。从图7中，我们可以看出，本发明微带线慢波结构的色散曲线较为陡峭，且归一化相速较大。不加脊的悬置结构具有弱色散的特性，将加脊的结构悬空放置后，通过合理的调节各个参数，可以使得该结构在弱色散及高耦合阻抗之间进行较大范围的调节，从而满足各种实际应用的需求。

图8是图1中本发明微带线慢波结构与同尺寸的图4现有悬置微带线慢波结构的耦合阻抗对比图；

从图8中，我们可以看出，图1中本发明微带线慢波结构的耦合阻抗在整个通带范围内均大于图4常规悬置微带线慢波结构的耦合阻抗。以96GHz为例，常规悬置微带线慢波结构的耦合阻抗为6.8欧姆，而悬置型微带线慢波结构的耦合阻抗为20欧姆，提高了194％，这将较大程度提高行波管的互作用效率。

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

1.一种悬置加脊型微带线平面慢波结构，包括：真空的矩形金属屏蔽腔，在矩形金属屏蔽腔内侧传输方向中心两侧开槽，印制有周期性金属曲折微带线的介质基板嵌入槽中，以悬空的方式放置，从而构成一种悬置型微带线慢波结构；

其特征在于：

2.根据权利要求1所述的悬置加脊型微带线平面慢波结构，其特征在于，两侧加宽后宽度为金属曲折微带线宽度的两倍。