CN202352608U - 一种渐变脊加载曲折波导慢波线 - Google Patents

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一种渐变脊加载曲折波导慢波线，属于微波真空电子技术领域。由一系列圆弧弯曲波导(或直角弯曲波导)和直波导首尾相间连接而成，等同于由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成曲折波导结构。每个曲折单元的直波导内壁加载有渐变型金属脊片(4)；在波导壁和金属脊片上沿慢波结构的中轴对称线(2)的位置处开有圆形通孔，相邻两个曲折单元的直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道。本实用新型在保持脊加载曲折波导慢波线的较高耦合阻抗的同时，可以减小脊加载曲折波导慢波线的驻波系数，改善其传输特性，抑制脊加载曲折波导行波管的反射振荡，从而使得脊加载曲折波导行波管具有更高的增益和效率。

Description

一种渐变脊加载曲折波导慢波线
技术领域
本实用新型属于微波真空电子技术领域，涉及行波管放大器件。 
背景技术
行波管具有宽频带、高增益和低噪声等其他电真空器件无法比拟的优点，具有强大生命力，在微波频段得到了广泛的应用。慢波线作为行波管的核心部件，直接影响注-波互作用的效率及整个行波管的技术水平。螺旋线和耦合腔是行波管中应用最普遍的两种慢波线。螺旋线行波管具有十分宽的频带范围，随着工艺和材料的发展，制作技术的完善，其功率电平进一步得到了提高。但是，由于热容量小，耗散能力低，限制了螺旋线行波管输出功率的提高。特别是当螺旋线行波管工作在毫米波以及亚毫米波段，横向结构尺寸的进一步缩小导致其散热更加困难，功率容量更小。耦合腔行波管由于采用全金属的慢波系统，其散热性能明显优于螺旋线，它的输出功率比螺旋线行波管高出了一个量级，但是工作带宽窄，一般在10％左右。此外，在毫米波段，螺旋形和耦合腔行波管尺寸很小，加工、装配精度要求高，成品率低，成本高，加大了进一步发展的难度。因此，探索新型全金属慢波线是目前行波管发展的一个重要方向。 
曲折波导慢波线，如图1所示，是一类新型全金属慢波线，它是由矩形波导1沿电场面(波导宽面)周期性弯曲成直角型曲折线或U型曲折线而形成的：在沿慢波结构的中轴对称线2的位置在波导壁上开圆形通孔；然后在慢波结构的每个周期性直角槽或U型槽的两个圆形通孔之间，用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管3连接，形成电子注通道。曲折波导慢波线沿纵向对称面的剖面图如图2所示。该结构具有功率容量大、带宽性能良好、加工容易、能量耦合结构简单等特点。此外，由于可以采用微细加工技术来制造，微型曲折波导行波管在毫米和太赫兹波段都很有潜力成为一种大功率、宽带、小型化的辐射源，在宽带毫米波通讯领域具有很好的应用前景。曲折波导行波管在国内外受到了广泛的关注，对此展开了大量的理论和实验研究。 
但是，由于曲折波导慢波系统属于基波为返向波的系统，该慢波结构的耦合阻抗较低，从而限制了曲折波导行波管的增益和电子效率。为了满足高增益的要求，一种新型脊加载曲折波导慢波结构被提出(见中国发明专利：一种脊加载曲折波导慢波线，申请号：200910060067.3，公开号：CN 101651074A)，如图3所示。脊加载曲折波导慢波线是在曲折 波导慢波结构的直波导段加入矩形金属脊片4，从而起到增大注-波互作用区轴向电场的作用，以此来提高耦合阻抗。但是由于矩形金属脊片4引入了传播路径上的不均匀性，且没有有效的阻抗匹配，因此该结构的慢波线普遍存在较大的驻波系数和高频损耗，导致脊加载曲折波导行波管存在很大的反射振荡，在一定程度上限制了输出功率和增益的提高。 
发明内容
为了减小脊加载曲折波导慢波线的驻波系数和高频损耗，抑制脊加载曲折波导行波管的反射振荡，同时保持较高的耦合阻抗，本实用新型提出一种渐变脊加载曲折波导慢波线。 
本实用新型采用的技术方案是： 
一种渐变脊加载曲折波导慢波线，如图5所示，由一系列矩形截面的圆弧弯曲波导(或直角弯曲波导)和相同截面的直波导首尾相间连接而成，形成U型曲折慢波结构(或直角型曲折慢波结构)。等同于由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成U型曲折慢波结构(或直角型曲折慢波结构)。在每个曲折单元的直波导内壁加载有渐变型金属脊片(4)，所述渐变型金属脊片厚度由中间区域的固定厚度向四周渐变至零。渐变型金属脊片(4)的渐变形式可以为直线型、圆弧型、阶梯型以及其他连续变化型曲线，如图6(a)、(b)、(c)所示。在直波导壁和渐变型金属脊片上沿慢波结构的中轴对称线(2)的位置处开有圆形通孔，相邻两个曲折单元的直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道。 
以直线型渐变脊加载曲折波导慢波结构为例，其尺寸参数如图7、图8所示：a为波导宽边长度，b为波导窄边长度，L为单个曲折波导周期结构的曲折长度，H为直波导的高度，r0为电子注通道的半径，w为渐变型金属脊片的宽度，d为渐变型金属脊片中间区域的厚度，h1为渐变型金属脊片的直线段高度，h2为渐变型金属脊片的渐变段高度；h为渐变型金属脊片的总体高度；渐变型金属脊片的相关尺寸满足：2r0＜w≤a、0＜d≤0.5b、2r0＜h＜H、h1+h2＝h。 
设定结构尺寸(单位：mm)：a＝2、b＝0.3、H＝0.6、L＝1.542、r0＝0.2、w＝2、d＝0.07、h1＝0.42、h2＝0.09、h＝H＝0.6。利用三维电磁仿真软件对本实用新型提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构进行仿真，获得其色散特性、耦合阻抗，并与具有相同脊片宽度w，相同脊片总体高度h和相同脊片厚度d的脊加载曲折波导慢波结构(见中国发明专利：一种脊加载曲折波导慢波线，申请号：200910060067.3，公开号：CN 101651074A)比较。利于三维电磁仿真软件分别对两种慢波结构各四十个周期进行模拟，获得两种结构的驻波系数和S参数。仿真结果如图 9，图10，图11，图12所示。其中，曲线5、曲线7、曲线9和曲线11分别是普通脊加载曲折波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、驻波系数曲线和S参数曲线；曲线6、曲线8、曲线10和曲线12分别是本实用新型提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、驻波系数曲线和S参数曲线。 
从图9中曲线5和曲线6的比较可知：相比于普通脊加载曲折波导慢波结构，在相当宽的频带内(80～105GHz)，本实用新型所提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构的相速度都要略高。而在低于80GHz的低频段，二者的相速度基本相同。 
从图10中曲线7和曲线8的比较可知：相比于普通脊加载曲折波导慢波结构，本实用新型所提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构在整个频带内都具有略高的耦合阻抗值。说明渐变脊加载曲折波导慢波结构可以保持原有的普通脊加载曲折波导慢波结构的较高耦合阻抗的优点。 
从图11中曲线9和曲线10的比较可以明显的看出：相比于普通脊加载曲折波导慢波结构，本实用新型所提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构具有更小的驻波系数，说明渐变脊的加入达到了阻抗匹配的目的，从而有效的减小了慢波线的反射，有利于抑制反射振荡的发生。 
从图12中曲线11和曲线12的比较可以明显的看出：相比于普通脊加载曲折波导慢波结构，本实用新型所提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构具有更好的传输特性。 
附图说明
图1是曲折波导慢波结构的立体示意图。 
图2是曲折波导慢波结构沿纵轴方向的剖面图。 
图3是普通脊加载曲折波导慢波结构示意图。 
图4是普通脊加载曲折波导慢波结构纵截面的示意图。 
图5是本实用新型提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构的示意图。 
图6是本实用新型提供的直线型(a)、圆弧型(b)和阶梯型(c)等金属脊片渐变形式示意图。 
图7是本实用新型提供的直线型渐变脊加载曲折波导慢波结构纵截面的示意图。 
图8是本实用新型提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构横截面的示意图。 
图9是普通脊加载曲折波导慢波结构和渐变脊加载曲折波导慢波结构的色散特性比较图。 
图10是普通脊加载曲折波导慢波结构和渐变脊加载曲折波导慢波结构的耦合阻抗比较图。 
图11是普通脊加载曲折波导慢波结构和渐变脊加载曲折波导慢波结构的驻波系数比较图。 
图12是普通脊加载曲折波导慢波结构和渐变脊加载曲折波导慢波结构的S参数比较图。 
在以上各图中：1是矩形波导，2是慢波结构的中轴对称线，3是形成电子注通道的金属管，4是金属脊片，曲线5、曲线7、曲线9和曲线11是普通脊加载曲折波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、驻波系数曲线和S参数曲线；曲线6、曲线8、曲线10和曲线12是本实用新型提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、驻波系数曲线和S参数曲线。 
具体实施方式
如图7和图8，在3mm波段，直线型渐变脊加载曲折波导慢波线的具体方案的结构尺寸如下：(单位：mm)a＝2、b＝0.3、H＝0.6、L＝1.542、r0＝0.2、w＝2、d＝0.07、h1＝0.42、h2＝0.09、h＝H＝0.6。利用三维电磁仿真软件对本实用新型提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构进行仿真，获得其色散特性、耦合阻抗、驻波系数和高频损耗，并与具有相同脊片宽度w，相同脊片总体高度h和相同脊片厚度d的脊加载曲折波导慢波结构比较。利于三维电磁仿真软件分别对两种慢波结构各四十个周期进行模拟，获得两种结构的驻波系数和S参数。仿真结果如图9，图10，图11，图12所示。其中，曲线5、曲线7、曲线9和曲线11分别是普通脊加载曲折波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、驻波系数曲线和S参数曲线；曲线6、曲线8、曲线10和曲线12分别是本实用新型提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、驻波系数曲线和S参数曲线。 
从图9中曲线5和曲线6的比较可知：相比于普通脊加载曲折波导慢波结构，在相当宽的频带内(80～105GHz)，本实用新型所提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构的相速度都要略高。而在低于80GHz的低频段，二者的相速度基本相同。 
从图10中曲线7和曲线8的比较可知：相比于普通脊加载曲折波导慢波结构，本实用新型所提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构在整个频带内都具有略高的耦合阻抗值。说明渐变 脊加载曲折波导慢波结构可以保持原有的普通脊加载曲折波导慢波结构的较高耦合阻抗的优点。 
从图11中曲线9和曲线10的比较可以明显的看出：相比于普通脊加载曲折波导慢波结构，本实用新型所提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构具有更小的驻波系数，说明渐变脊的加入达到了阻抗匹配的目的，从而有效的减小了慢波线的反射，有利于抑制反射振荡的发生。 
从图12中曲线11和曲线12的比较可以明显的看出：相比于普通脊加载曲折波导慢波结构，本实用新型所提供的渐变脊加载曲折波导慢波结构具有更好的传输特性。 

Claims (4)

1.一种渐变脊加载曲折波导慢波线，由一系列矩形截面的圆弧弯曲波导和相同截面的直波导首尾相间连接而成，形成U型曲折慢波结构，等同于由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成U型曲折慢波结构；其特征在于，在每个曲折单元的直波导内壁加载有渐变型金属脊片(4)，所述渐变型金属脊片厚度由中间区域的固定厚度向四周渐变至零；在直波导壁和渐变型金属脊片上沿慢波结构的中轴对称线(2)的位置处开有圆形通孔，相邻两个曲折单元的直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道。
2.一种渐变脊加载曲折波导慢波线，由一系列矩形截面的直角弯曲波导和相同截面的直波导首尾相间连接而成，形成直角型曲折慢波结构，等同于由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成直角型曲折慢波结构；其特征在于，在每个曲折单元的直波导内壁加载有渐变型金属脊片(4)，所述渐变型金属脊片厚度由中间区域的固定厚度向四周渐变至零；在直波导壁和渐变型金属脊片上沿慢波结构的中轴对称线(2)的位置处开有圆形通孔，相邻两个曲折单元的直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道。
3.根据权利要求1或2所述的渐变脊加载曲折波导慢波线，其特征在于，所述渐变型金属脊片(4)的渐变形式为直线型、圆弧型或阶梯型。
4.根据权利要求1或2所述的渐变脊加载曲折波导慢波线，其特征在于，a为波导宽边长度，b为波导窄边长度，L为单个曲折波导周期结构的曲折长度，H为直波导的高度，r0为电子注通道的半径，w为渐变型金属脊片的宽度，d为渐变型金属脊片中间区域的厚度，h1为渐变型金属脊片的直线段高度，h2为渐变型金属脊片的渐变段高度；h为渐变型金属脊片的总体高度；渐变型金属脊片的相关尺寸满足：2r0＜w≤a、0＜d≤0.5b、2r0＜h＜H、h1+h2＝h。 
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