CN1347132A - 全金属螺旋慢波结构 - Google Patents

Abstract

一种行波管全金属螺旋慢波结构,包括管壳(3)和位于管壳(3)内的螺旋线(2),其特征在于在管壳(3)和螺旋线(2)之间有金属夹持杆(1’)。本发明解决了限制行波管功率提高的散热问题。全金属螺旋慢波结构的结构非常简单,相对于环杆、三叶草等结构简单的多。这有利于实际行波管的研制与制造,不仅有利于降低行波管的成本,还有利于提高行波管的成品率和一致性。

Description

全金属螺旋慢波结构

本发明属于电真空电子器件，特别是行波管全金属螺旋慢波结构。

螺旋慢波结构是行波管的关键部件，它的作用是使电磁波在它的轴线上的速度变慢。由于螺旋慢波结构的作用，电磁波在其轴线上的速度仅为光速的十分之几以下，此速度的量级与在行波管中运动在慢波结构轴线上的电子注相当，即满足所谓同步条件。因此行波管能够依靠慢波结构把包含于运动在其轴线上的电子注能量转化为在整个慢波结构中传播的微波或毫米波信号的能量，从而使微波和毫米波得到放大。这就是行波管的工作原理。目前所有的行波管螺旋慢波结构都需要介质杆1对螺旋线2进行夹持。

我们把这种螺旋慢波结构称为常规螺旋慢波结构。它的结构图如图1所示。在如图1所示的常规螺旋慢波结构中，由于螺旋线2上存在高频导体损耗，因此螺旋线2会发热。同时，运动于图1轴线上的电子注中的部分电子会散逸到螺旋线2上，从而进一步导致螺旋线2发热。这些产生于螺旋线2上的热量，必须通过图1中的介质夹持杆1散发到管壳以外去，否则就会造成螺旋线2烧断，引起整管损坏。即便产生于螺旋线2上的热量还不足以使螺旋线2烧断，它也会使制备在介质夹持杆1上的碳膜的温度升高。由于碳膜衰减器4的方块电阻会随温度升高而降低，从而改变衰减效果，并引起行波管发生振荡，影响行波管正常工作。

由此可见，常规螺旋慢波结构中的介质夹持杆1的导热性能是整个慢波结构的一个关键因素。在早期的小功率行波管中，由于电子注的总电流和慢波结构中的电磁波总功率都较小，螺旋线2发热问题不突出，因此早期小功率行波管中大量使用石英介质夹持杆1。由于石英的导热系数仅为0.0033W/cm·K，在中、大功率行波管中，石英已被后来发明的氧化铍和氮化硼介质夹持杆1替代。氧化铍和氮化硼的导热系数分别为0.4W/cm·K和0.105W/cm·K，可见都比石英优越。但是，由于行波管的功率越来越大，氧化铍和氮化硼仍然不能彻底解决常规慢波结构散热问题，因此近年来国外尝试过用红宝石作为介质夹持杆1。但是，要把珠状红宝石焊接成为杆状介质夹持杆1，不仅工艺实现很难，而且价格十分昂贵。

本发明的目的是提供一种慢波结构，其中使用导热系数高的全金属夹持杆。

本发明的主要特点是包括管壳3和位于管壳3内的螺旋线2，在管壳3和螺旋线2之间有金属夹持杆1’。

本发明解决了限制行波管功率提高的散热问题，采用全金属螺旋慢波结构的行波管能实现的功率会比采用常规螺旋慢波结构的行波管大2-10倍。全金属螺旋慢波结构的结构非常简单，相对于环杆、三叶草等结构简单的多。这有利于实际行波管的研制与制造，不仅有利于降低行波管的成本，还有利于提高行波管的成品率和一致性。由于金属夹持杆1’比介质夹持杆1容易加工，采用全金属螺旋慢波结构后，会使行波管的成本降低。

图1是常规螺旋慢波结构示意图。

图2是本发明金属夹持杆螺旋慢波结构示意图。

下面结合附图详述本发明。

参考图2，本发明提出的全金属螺旋慢波结构可以完全克服常规螺旋慢波结构中的散热问题，这是因为金属的导热系数一般都比陶瓷材料的大，如铜的导热系数为0.94W/cm·K。本发明提出的全金属螺旋慢波结构就是金属夹持杆1’螺旋慢波结构。

比较图1和图2可知，这种全金属螺旋慢波结构就是把常规慢波结构中的介质夹持杆1换成了金属夹持杆1’，由于金属的导热系数比介质材料高得多，因此，这种慢波结构的散热能力比常规螺旋慢波结构好得多。预计采用这种慢波结构的行波管将会获得比常规螺旋慢波结构大2倍以上的功率。

应当说明的是，本发明并非简单的材料替换，而是实现慢波结构的基本观念的改变。自从行波管于二十世纪40年代发明以来，人们就一直使用如图1所示的常规螺旋慢波结构，从未有人敢于把介质夹持杆1换成金属夹持杆1’。其原因在于金属是导电体，介质是绝缘体。过去人们有一个误解，认为把金属杆1’放在管壳3和螺旋线2之间，会使传播于慢波结构中的电磁波“短路”。但这一概念并不是一个绝对成立的概念，这只是一个在特定条件下才成立的概念。对于直流电来说，金属夹持杆1’确实使螺旋线2与管壳3短路了。对于微波与毫米波等高频电磁场而言，这一概念就不正确了。在直流情况下，如果空间两点A、B之间有一导线，这两点的电位差为零，也就是说A、B两点确实短路了。但对于微波和毫米波而言，A、B两点之间的导线是一段传输线，它们之间的电位差一般不为零。只有A、B之间导线的长度是某一特殊电磁波的波长的倍数时，A、B之间的电位差才为零，也就是说，只有对这些波长的电磁波而言，A、B之间才相当于短路。而对于这些波长之外的较宽频段内的电磁波而言，都不可把A、B看为短路。在如图2所示的全金属慢波结构中，金属夹持杆1’也可以看作为一段传输线，也并没有使所有电磁波短路。也就是说，只要我们不让慢波结构工作于其短路点上，如图2所示的全金属螺旋慢波结构用金属夹持杆1’取代介质夹持杆1就不影响其成为慢波结构。而要使该结构不工作于其短路点上，可以通过对慢波结构的管壳3内径、螺旋线2的螺距、宽度和厚度以及金属夹持杆1’扇形横截面的角宽度等的调整而实现。比如，在所需的工作频段内，慢波结构已经短路，既其耦合阻抗已经小于1Ω，可以调整一下金属夹持杆1’的角宽度，就可以把短路点移出工作频段之外。当然，这只是对图2所示的全金属螺旋慢波结构原理的一个简单解说。事实上，要对这种慢波结构的慢波特性作出预测，必须对它进行严格的理论分析。而由于过去缺乏对螺旋结构中的电磁场进行求解的通用方法，一直还没有人对如图2所示的全金属慢波结构作出理论分析和计算。由于慢波结构是行波管的心脏，而行波管又比较贵，人们不太敢于使用新型慢波结构。这也是过去人们不敢使用金属夹持杆1’的原因之一。

现在我再对本发明做一些进一步的描述。图2中示出的金属夹持杆1’的横截面是扇形的，但事实上可以改用圆形、矩形、准矩形、半月形、半圆形等形状。其中的金属夹持杆1’的材料可以是任何一种高导热和高导电的金属材料。慢波结构的尺寸跟中心工作频率点和带宽有关，一般图2所示全金属慢波结构的管壳3内径在3-10mm之间，而由于螺旋线2和金属夹持杆1’要装在管壳3内，所以其尺寸要与管壳3恰当相配。通过恰当选取螺旋线2的螺距、内半径、宽度、厚度，并通过改变金属夹持杆1’的数量及其横截面的尺寸，该全金属慢波结构的中心工作频率可以在L、S、C、X、Ku、K和Ka波段内移动，带宽可以轻松实现一个倍频程。同时，如上所述，改变上述结构参数还可以把短路点移出工作频段之外。也就是说，通过改变上述结构参数，可以使慢波结构在工作频段内获得恰当的慢波特性。慢波特性的具体表征就是耦合阻抗和相速。通过恰当选取上述结构参数，图2所示慢波结构的耦合阻抗可以在1-250Ω之间，其相速可以是0.05-0.3倍光速。众所周知，具有这样慢波特性的慢波结构正好适宜于用在行波管中。具体采用哪些尺寸，需要根据所需要的慢波结构的中心工作频率和带宽决定。当然，具体设计时，还需要用本人根据螺旋坐标系理论编写的计算机程序计算具体慢波结构的慢波特性，从而指导设计工作。

为了说明本发明的重要性，现在把全金属化螺旋慢波结构的优点可进一步描述如下：

首先，全金属螺旋慢波结构使螺旋线2结构，因此保持了螺旋线2的宽带特性。可以轻松实现一个倍频程以上的带宽。

其次，全金属螺旋线2慢波结构免除了使用介质夹持杆1的进行夹持的必要性，从而将大大提高慢波结构承受高频功率损耗和电子轰击的能力，并进一步使行波管的功率大大提高。也就是说，全金属螺旋慢波结构彻底解决了长期限制行波管功率提高的散热问题。预计采用全金属螺旋慢波结构的行波管能实现的功率会比采用常规螺旋慢波结构的行波管大2-10倍。

第三，全金属螺旋慢波结构的结构非常简单，相对于环杆、三叶草等结构简单的多。这有利于实际行波管的研制与制造，不仅有利于降低行波管的成本，还有利于提高行波管的成品率和一致性。目前国防市场上对相位一致行波管有较大的需求，而限制行波管相位一致性的主要因素之一就是慢波结构太为复杂，造成影响行波管相位一致性的因素过多。因此，如果全金属化螺旋慢波结构研究成功，将对相位一致行波官起到不可估量的促进作用。

第四，由于全金属慢波结构承受电子轰击的能力将会大大提高，这就允许电子注更接近螺旋线2，从而增强相互作用并提高行波管的效率。在毫米波领域，由于慢波结构的尺寸非常小，因而承受电子轰击的能力非常有限。这要求行波管的电子注流通率非常高。然而，行波管的磁聚焦系统很难做得非常完美，可以说这方面的困难目前已经阻碍了毫米波行波管的发展。而全金属化慢波结构将放宽对电子主流通率的要求，从而促进毫米波行波管的发展。

第五，由于全金属螺旋慢波结构中的金属夹持杆1’的强度、韧性等性能都比介质夹持杆1好，所以采用全金属螺旋慢波结构的行波管能实现的可靠性会比采用常规螺旋慢波结构的行波管好。

最后，由于金属夹持杆1’比介质夹持杆1容易加工，采用全金属螺旋慢波结构后，会使行波管的成本降低。

Claims (6)

1.一种行波管全金属螺旋慢波结构，包括管壳(3)和位于管壳(3)内的螺旋线(2)，其特征在于在管壳(3)和螺旋线(2)之间有金属夹持杆(1’)。

2.按权利要求1所述的行波管全金属螺旋慢波结构，其特征在于所述的金属夹持杆(1’)是高导热和高导电的金属材料。

3.按权利要求1或2所述的行波管全金属螺旋慢波结构，其特征在于所述的金属夹持杆(1’)是铜。

4.按权利要求1或2所述的行波管全金属螺旋慢波结构，其特征在于所述的金属夹持杆(1’)的横界面为扇形、圆形、矩形、准矩形、半月形、半圆形。

5.按权利要求1所述的行波管全金属螺旋慢波结构，其特征在于特性阻抗调整在1Ω-250Ω之间，相速调整在0.05-0.3倍光速之间。

6.按权利要求1所述的行波管全金属螺旋慢波结构，其特征在于管壳(3)内径为3-10毫米。

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