CN202855700U - 一种径向对数螺旋微带慢波线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种径向对数螺旋微带慢波线，为一种沿径向方向的准周期结构，采用平面扇形电子束工作，包括扇形金属屏蔽壳、扇形介质底板以及角度径向对数螺旋金属带，角度径向对数螺旋金属带由单根径向对数螺旋微带线上截取角度为θ的一部分弧线，以及将截取弧线相邻首尾交替连接的金属带组成。采用本实用新型径向对数螺旋微带慢波线的行波管，其工作电压远低于常规的低电压螺旋线行波管，相对于耦合腔类行波管则具有更大的优势；而与径向对数螺旋慢波线相比，角度径向对数螺旋线慢波线具有更宽的工作电压调谐范围，在电子束电流相同的情况下，这意味着更宽的直流输入功率调谐范围，也意味着更大的输出功率，可以应用在对功率要求更大的情况下。

Description

一种径向对数螺旋微带慢波线

技术领域

本实用新型属于微波真空电子器件技术领域，更为具体地讲，涉及行波管中的一种径向对数螺旋微带慢波线。

背景技术

行波管作为微波频段应用最为广泛的电真空器件，在毫米波雷达、制导、通信、微波遥感、辐射测量等众多领域具有突出的应用地位。由于其无可替代的宽频带特点，也成为各领域装备中最重要的一种微波管。

一支典型的行波管由电子枪、聚焦系统、慢波线（慢波结构）、输入输出装置和收集极五部分组成。作为行波管的核心部件，慢波线的任务是传输高频电磁行波并使电磁波的相速降到同步速度，并实现电磁波对电子注的调制，从而使电子注交出直流能量放大高频场，它的性能优劣直接决定了行波管的工作带宽、输出功率和效率等。

目前，常用的慢波线主要有螺旋线及其变形结构、耦合腔及其变形结构。其中，螺旋线类行波管具有很宽的带宽，可以达到几个倍频程，但是由于工艺问题，螺旋线主要用于Ka以下的频段，在高频端的应用受到很大限制；而耦合腔及其变形结构的梯形线具有很高的功率容量，可达数百瓦，并且可以应用于V及以上频段，但是带宽远不及螺旋线。在W及以上频段，耦合腔结构的另一种变形——曲折波导有着不错的表现，它因为加工方便，功率容量大而受到了广泛的关注，具有较好的应用前景。

但是，对于常规行波管而言，随着工作频率的提高，慢波线的尺寸必须大幅减小，这会大幅缩减电子注通道的尺寸，而相应的电子枪就必须缩小，行波管的整体尺寸也因此减小，所以行波管自身体积不再是限制行波管应用的主要因素。相比之下，随工作频率升高而增大的工作电压对行波管应用范围的限制更为明显。螺旋线行波管在S波段时工作电压为4KV，而在Ka波段工作电压为18KV，耦合腔类行波管的工作电压也均为上万伏。如此高的电压需要庞大的电源来提供，这就对使用空间提出了严格的要求，这也是固态器件在低频段能取代真空器件的重要因素之一。因此，寻求低电压慢波线对降低行波管的成本、扩展行波管的应用领域有着极大的促进作用。

对数螺旋慢波线是一种具有极低工作电压的慢波线，它的工作电压在百伏以内，对电源的需求极大降低。但是，如此低的电压，意味着行波管的直流输入功率不可能太大，对应的输出功率也有限，在百瓦以内。而提高其输出功率则需要提高工作电压，按照传统方法代价就是结构径向尺寸的指数倍数增加，这是不能接受的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种径向对数螺旋微带慢波线，在大幅降低行波管的工作电压的同时保证其具有较高的输出功率，从而使行波管具有更低的成本和更宽的应用领域。

为实现上述目的，本实用新型径向对数螺旋微带慢波线，其特征在于，包括：

一金属屏蔽壳，金属屏蔽壳内为真空腔，其内顶侧、底侧为扇形；

一扇形介质板，置于金属屏蔽壳内底侧；

一角度径向对数螺旋金属带，为单根径向对数螺旋微带线上截取角度为θ的一部分弧线，以及将截取弧线相邻首尾交替连接的金属带组成，并按照扇形介质板相同放置形状置于扇形介质板之上；角度径向对数螺旋金属带的内端为电磁波输入端，外端口为电磁波输出端；

平面扇形电子束从角度径向对数螺旋金属带内侧向外侧发射。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型径向对数螺旋微带慢波线，为一种沿径向方向的准周期结构，采用平面扇形电子束工作，包括扇形减数屏蔽壳、扇形介质底板以及角度径向对数螺旋金属带，角度径向对数螺旋金属带由单根径向对数螺旋微带线上截取角度为θ的一部分弧线，以及将截取弧线相邻首尾交替连接的金属带组成。采用本实用新型径向对数螺旋微带慢波线的行波管，其工作电压远低于常规的低电压螺旋线行波管，相对于耦合腔类行波管则具有更大的优势；而与径向对数螺旋慢波线相比，角度径向对数螺旋线慢波线具有更宽的工作电压调谐范围，在电子束电流相同的情况下，这意味着更宽的直流输入功率调谐范围，也意味着更大的输出功率，可以应用在对功率要求更大的情况下。

附图说明

图1是本实用新型径向对数螺旋微带慢波线一种具体实施方式结构示意图；

图2是图1所示角度径向对数螺旋金属带弧线截取示意图；

图3是图2所示角度径向对数螺旋金属带结构示意图；

图4是图2所示角度径向对数螺旋金属带取不同的螺距系数b和角度θ时，归一化相速变化曲线；

图5是本实用新型径向对数螺旋微带慢波线所采用的一种径向电子光学系统的结构示意图；

图6是本实用新型径向对数螺旋微带慢波线的另一具体实施方式工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型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实用新型。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实用新型的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本实用新型径向对数螺旋微带慢波线一种具体实施方式结构示意图。

在本实施例中，如图1所示，本实用新型径向对数螺旋微带慢波线，是一种沿径向方向的准周期结构，采用平面扇形电子束工作。它可以看作由四部分结构组成，从上之下依次为：扇形真空腔2、角度径向对数螺旋金属带4、扇形介质板5和扇形金属板。扇形真空腔由金属屏蔽壳1形成的腔体组成，金属屏蔽壳1内顶侧、底侧为扇形；扇形介质板5置于金属屏蔽壳1内底侧，并且放置形状与金属屏蔽壳1内扇形底侧保持一致；

角度径向对数螺旋金属带4为单根径向对数螺旋微带线上截取角度为θ的一部分弧线，以及将截取弧线相邻首尾交替连接的金属带组成，并按照扇形介质板5相同放置形状置于扇形介质板5之上；角度径向对数螺旋金属带4的内端为电磁波输入端，外端口为电磁波输出端；

平面扇形电子束从角度径向对数螺旋金属带内侧向外侧发射。在本实施例中，平面扇形电子束3由位于径向对数螺旋微带慢波线左侧的扇形阴极（未画出）的侧面发射，在向右侧的收集极（未画出）运动的过程中保持厚度和角度不变。径向对数螺旋微带慢波线的各尺寸参数也在图1中标出，其中，L为扇形真空腔2的高度，t为角度径向对数螺旋金属带螺4的厚度，h为扇形介质底板5厚度，d为平面扇形电子束3的厚度。

图2是图1所示角度径向对数螺旋金属带弧线截取示意图。

在本实施例中，如图2所示，角度径向对数螺旋金属带弧线可用一下方法得到：从图2所示的单根径向对数螺旋微带线上截取角度为θ的一部分弧线。

图3是图2中角度径向对数螺旋金属带结构示意图。

在本实施例中，如图3所示，将截取的弧线相邻首尾交替相连而得到角度径向对数螺旋金属带。角度径向对数螺旋金属带满足极坐标下的对数螺旋线方程：

其中，r1为角度径向对数螺旋金属带上相位等于

的点处内侧边线的半径，r2为角度径向对数螺旋金属带上相位等于

的点处外侧边线的半径，a为角度径向对数螺旋金属带内侧的起始半径，b是决定了角度径向对数螺旋金属带径向疏密的常数，又称螺距系数，一般取值0.01~0.1，w为角度径向对数螺旋金属带的宽度。

角度径向对数螺旋金属带上传输的电磁波的径向速度vr与线向速度vl满足如下关系：

$v_r=\frac{e^{4\mathrm{b\π}}-1}{[\frac{\sqrt{b^2+1}}{b}(e^{\mathrm{b\θ}}-1)+e^{\mathrm{b\θ}}(e^{2\mathrm{b\π}}-1)+\frac{\sqrt{b^2+1}}{b}{e}^{2\mathrm{\π}}(e^{\mathrm{b\θ}}-1)+e^{2\mathrm{b\π}}(e^{2\mathrm{b\π}}-1)]}{v}_l---\left(2\right)$

从公式（2）可以看出，径向速度v_r仅与螺距系数b，角度θ相关，而与相位

无关，表明电磁波径向速度v_r是不依赖于半径r的常量。也就是说，在角度θ和螺距系数b确定了情况下，角度径向对数螺旋金属带上电磁波径向速度v_r也随之而定，不随径向位置的改变而改变。调整阳极电压使平面扇形电子束速度略大于电磁波径向速度，这就可以保证当电子以恒定的径向速度运动时，在整个电子束通道内都能发生注-波互作用。在这个过程中平面扇形电子束的能量持续交给电磁波，并最终得到电磁波的放大。

图4是图2所示角度径向对数螺旋金属带取不同的螺距系数b和角度θ时，归一化相速变化曲线。

从图4，可以看出：径向对数螺旋微带慢波线的归一化径向相速随螺距系数b的减小而减小，随角度θ的增大而减小。图中归一化径向像素v_r/c=0.112是常规行波管中工作电压最低的螺旋线慢波结构的归一化相速，相对应的工作电压为U=4800V；而v_r/c=0.01是螺距系数b取0.01时，本实用新型径向对数螺旋微带慢波线的最小归一化相速，对应的工作电压约为U=26V，远小于常规的行波管，而如此低的电压意味着很小的输出功率。

从图4还可以看出，如果要增加径向对数螺旋微带慢波线的工作电压，即增大结构的归一化相速，只需要适当的增加螺距系数b的值，或者减小角度θ的值，理论上就可以得到任意的归一化相速值，也就可以得到工作在任意规定电压下的径向对数螺旋微带慢波线。

本实用新型径向对数螺旋微带慢波线的工作电压远低于常规的低工作电压的螺旋线行波管，相对于耦合腔类行波管则具有更大的优势。而与现有技术的径向对数螺旋微带慢波线相比，本实用新型径向对数螺旋微带慢波线具有更宽的工作电压调谐范围，在电子束电流相同的情况下，这意味着更宽的直流输入功率调谐范围，也意味着更大的输出功率，可以应用在对功率要求更大的情况下。

由于平面扇形电子束的聚焦很难实现，实际应用时，可以用一套径向电子光学系统来替代，如图5所示。6是圆柱形阴极，采用热发射，圆形径向电子束从阴极的圆柱形侧面发射，由于阴极半径可以做的很大，它所能发射的电流也远高于常规行波管所采用的阴极，这也是径向束行波管的优势之一；7是一对环形阳极，圆形径向电子束从其中间穿过，并被其加速到与本实用新型径向对数螺旋微带慢波线中传输的电磁波径向速度同步的速度；8是一对聚焦系统，用以维持圆形径向电子束在运动过程中的厚度保持不变，避免圆形径向电子束发散打到本实用新型径向对数螺旋微带慢波线上，也使注-波互作用强度更集中；9是降压收集极，作用是将工作完了的电子回收，同时回收一部分直流能量；10是预留的通道，用以放置本实用新型径向对数螺旋微带慢波线。

为了充分利用圆形径向电子束，可以将多个角度径向对数螺旋金属带集成在在一片圆形介质板（基底）上，共用一套径向电子光学系统工作，这样相当于将圆形径向电子束分成多个平面扇形电子束，最多可以有360/θ个，如取θ=45°，则可以有9个角度径向对数螺旋金属带。如图6所示，四个角度径向对数螺旋金属带401、402、403、404绕圆柱形阴极6均匀排列。这样既保证了电子束的形状满足要求，也简化了电子光学系统的设计，并且充分利用了空间，通过功率合成技术，可以得到更大的输出功率。

在本实施例中，如图1和图3，在ka频段，本实用新型径向对数螺旋微带慢波线具体方案的尺寸如下：a=4mm,b=0.02,L=0.5mm,w=0.02mm,h=0.1mm,t=0.052mm，z=0.01mm，θ=30°，扇形介质底板采用具有小介电常数的介质材料。其归一化相速为0.065，对应的工作电压约为1080V，采用2A的电子束工作。

尽管上面对本实用新型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实用新型，但应该清楚，本实用新型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实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种径向对数螺旋微带慢波线，其特征在于，包括：

一金属屏蔽壳，金属屏蔽壳内为真空腔，其内顶侧、底侧为扇形；

一扇形介质板，置于金属屏蔽壳内底侧；

一角度径向对数螺旋金属带，为单根径向对数螺旋微带线上截取角度为θ角度的一部分弧线，以及将截取弧线相邻首尾交替连接的金属带组成，并按照扇形介质板相同放置形状置于扇形介质板之上；角度径向对数螺旋金属带的内端为电磁波输入端，外端口为电磁波输出端；

平面扇形电子束从角度径向对数螺旋金属带内侧向外侧发射。

2.权利要求1所述的径向对数螺旋微带慢波线，其特征在于，所述的角度径向对数螺旋金属带的角度取值0°<θ≤180°，螺距系数取值0.01~0.1。

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