專利名稱：一種脊加載曲折波導(dǎo)慢波線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微波真空電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及行波管放大器件。

背景技術(shù)：
行波管作為微波頻段應(yīng)用最為廣泛的電真空器件，具有其他器件無法比擬的優(yōu)越性。慢波線作為行波管注-波互作用的核心部件，其性能優(yōu)劣直接決定了行波管的技術(shù)水平。螺旋線和耦合腔一直是行波管中使用最廣泛的慢波系統(tǒng)。螺旋線行波管雖然具有倍頻程以上的帶寬，但輸出功率受到熱耗散能力的限制；特別是當(dāng)行波管工作于短厘米和毫米波段時，由于螺旋線橫向尺寸極小，散熱困難，其功率容量更小。耦合腔行波管雖然具有比螺旋線高一個數(shù)量級的功率電平，脈沖功率可高達(dá)數(shù)百kW，由于帶邊振蕩的影響，其帶寬十分窄。此外，毫米波耦合腔行波管尺寸很小，加工、裝配精度要求高，成品率低，成本高。因此，尋找能工作在毫米波段，性能優(yōu)良的新型行波管慢波結(jié)構(gòu)就顯得十分必要了。
曲折波導(dǎo)慢波線，如圖1所示，是一類新型全金屬慢波線，它是由矩形波導(dǎo)1沿電場面(波導(dǎo)寬面)周期性彎曲成直角型曲折線或U型曲折線而形成的；在沿慢波結(jié)構(gòu)的中軸對稱線2的位置在波導(dǎo)壁上開圓形通孔；然后在慢波結(jié)構(gòu)的每個周期性直角槽或U型槽的兩個圓形通孔之間，用與圓形通孔孔徑尺寸相同的金屬管3連接，形成電子注通道。曲折波導(dǎo)慢波線沿縱向?qū)ΨQ面的剖面圖如圖2所示。該慢波結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)大功率容量的同時，具有良好的寬帶性能。該結(jié)構(gòu)主要有機械強度高、散熱好、功率容量大、加工比較容易以及輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)相對簡單的優(yōu)點。同時，由于可以采用微細(xì)加工技術(shù)來制造，以曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)為核心的微型曲折波導(dǎo)行波管在毫米波段很有潛力成為一種大功率、小型輻射源，在軍事電子系統(tǒng)以及寬帶毫米波通訊等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。
但是，由于曲折波導(dǎo)慢波系統(tǒng)屬于基波為返向波的系統(tǒng)，工作在負(fù)一次空間諧波上，因此該慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗較低。根據(jù)皮爾斯理論，行波管的增益與增益參量成正比；行波管的增益參量為

其中Kc為耦合阻抗，I0，V0分別為電子注電流和電壓。大信號理論分析表明，電子效率具有如下關(guān)系ηe max＝kC，其中k＝0.5～7。因此，耦合阻抗作為表征慢波系統(tǒng)和電子注相互作用強弱的參量，與行波管的增益與效率直接相關(guān)。根據(jù)已有的國內(nèi)外相關(guān)實驗報道，由于曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗低，使得行波管整體的增益和效率被限制了。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高曲折波導(dǎo)慢波系統(tǒng)的耦合阻抗，從而使得曲折波導(dǎo)行波管具有更高的增益和效率，本實用新型提出了一種曲折雙脊波導(dǎo)慢波線。
本實用新型所采用的技術(shù)方案是 一種脊加載曲折波導(dǎo)慢波線，如圖3所示，由一系列的圓弧彎曲波導(dǎo)(或直角彎曲波導(dǎo))和直波導(dǎo)首尾連接而成，等同于由矩形波導(dǎo)1沿電場面周期性彎曲成U型曲折線(或直角型曲折線)，形成曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu).在每個曲折單元的直波導(dǎo)內(nèi)壁加載有一定厚度的金屬脊片4；在波導(dǎo)壁和金屬脊片上沿慢波結(jié)構(gòu)的中軸對稱線2的位置處開有圓形通孔，相鄰兩個曲折單元的直波導(dǎo)的圓形通孔之間，采用與圓形通孔孔徑尺寸相同的金屬管3連接，形成電子注通道. 脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)如圖4，圖5所示a為波導(dǎo)寬邊長度，b為波導(dǎo)窄邊長度，L為單個曲折周期結(jié)構(gòu)的曲折長度，H為直波導(dǎo)的高度，r0為電子注通道的半徑，w為金屬脊片的寬度，d為金屬脊片的厚度，h為金屬脊片的高度。金屬脊片的相關(guān)尺寸滿足2r0＜w≤a，0＜d＜0.5b，2r0＜h≤H。
設(shè)定結(jié)構(gòu)尺寸(單位mm)a＝5，b＝0.8，L＝4.56，H＝2.2，r0＝0.5，w＝5，d＝0.25，h＝2.2。利用三維電磁仿真軟件對本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，獲得其色散特性和耦合阻抗，并與曲折雙脊慢波結(jié)構(gòu)(見中國專利申請一種曲折雙脊波導(dǎo)慢波線，申請?zhí)?00910059552.9，申請日期2009.6.10)、普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)比較，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。其中，曲線5和曲線8分別是普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線6和曲線9分別是曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線7和曲線10是本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線。
從圖6中曲線5、曲線6和曲線7的比較可知相比于普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，曲折雙脊慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線更平坦，能工作更寬的頻帶范圍內(nèi)；而本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散更強，工作頻帶變窄了。
從圖7中曲線8、曲線9和曲線10的比較可以明顯看出相比于普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，曲折雙脊慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗更低，而本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有更高的耦合阻抗值，特別是在高頻端附近。說明通過在曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的直波導(dǎo)上加載金屬脊片，可以提高慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，從而使得導(dǎo)行波管的增益和效率得以提高。

圖1是普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的立體示意圖。
圖2是普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)沿縱軸方向的剖面圖。
圖3是本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)橫截面的示意圖。
圖5是本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)縱截面的示意圖。
圖6是脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)、曲折雙脊慢波結(jié)構(gòu)和普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性比較圖。
圖7是脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)、曲折雙脊慢波結(jié)構(gòu)和普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗比較圖。
在以上各圖中1是矩形波導(dǎo)，2是慢波結(jié)構(gòu)的中軸對稱線，3是形成電子注通道的金屬管，4是金屬脊片，曲線5和曲線8分別是普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線6和曲線9分別是曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線7和曲線10是本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線。
具體實施方案 如圖4和圖5，在8mm毫米波段，曲折雙脊波導(dǎo)慢波線具體方案的結(jié)構(gòu)尺寸如下(單位mm)a＝5，b＝0.8，L＝4.56，H＝2.2，r0＝0.5，w＝5，d＝0.25，h＝2.2。利用三維電磁仿真軟件對本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波線進(jìn)行仿真，獲得其色散特性和耦合阻抗，并與曲折雙脊慢波結(jié)構(gòu)、普通曲折波導(dǎo)慢波線比較，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。曲線5和曲線8分別是普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線6和曲線9分別是曲折雙脊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線7和曲線10是本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線。
從圖6中曲線5、曲線6和曲線7的比較可知相比于普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，曲折雙脊慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線更平坦，能工作更寬的頻帶范圍內(nèi)；而本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散更強，工作頻帶變窄了。
從圖7中曲線8、曲線9和曲線10的比較可以明顯看出相比于普通曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，曲折雙脊慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗更低，而本實用新型提供的脊加載曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有更高的耦合阻抗值，特別是在高頻端附近。說明通過在曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的直波導(dǎo)上加載金屬脊片，可以提高慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，從而使得導(dǎo)行波管的增益和效率得以提高。
權(quán)利要求1.一種脊加載曲折波導(dǎo)慢波線，由一系列的圓弧彎曲波導(dǎo)和直波導(dǎo)首尾連接而成，等同于由矩形波導(dǎo)(1)沿電場面周期性彎曲成U型曲折線，形成曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；在每個曲折單元的直波導(dǎo)內(nèi)壁加載有一定厚度的金屬脊片(4)；在波導(dǎo)壁和金屬脊片上沿慢波結(jié)構(gòu)的中軸對稱線(2)的位置處開有圓形通孔，相鄰兩個曲折單元的直波導(dǎo)的圓形通孔之間，采用與圓形通孔孔徑尺寸相同的金屬管(3)連接，形成電子注通道；
所述脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)為a為波導(dǎo)寬邊長度，b為波導(dǎo)窄邊長度，L為單個曲折周期結(jié)構(gòu)的曲折長度，H為直波導(dǎo)的高度，r0為電子注通道的半徑，w為金屬脊片的寬度，d為金屬脊片的厚度，h為金屬脊片的高度；金屬脊片的相關(guān)尺寸滿足2r0＜w≤a，0＜d＜0.5b，2r0＜h≤H。
2.一種脊加載曲折波導(dǎo)慢波線，由一系列的直角彎曲波導(dǎo)和直波導(dǎo)首尾連接而成，等同于由矩形波導(dǎo)(1)沿電場面周期性彎曲成直角型曲折線，形成曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；在每個曲折單元的直波導(dǎo)內(nèi)壁加載有一定厚度的金屬脊片(4)；在波導(dǎo)壁和金屬脊片上沿慢波結(jié)構(gòu)的中軸對稱線(2)的位置處開有圓形通孔，相鄰兩個曲折單元的直波導(dǎo)的圓形通孔之間，采用與圓形通孔孔徑尺寸相同的金屬管(3)連接，形成電子注通道；
脊加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)為a為波導(dǎo)寬邊長度，b為波導(dǎo)窄邊長度，L為單個曲折周期結(jié)構(gòu)的曲折長度，H為直波導(dǎo)的高度，r0為電子注通道的半徑，w為金屬脊片的寬度，d為金屬脊片的厚度，h為金屬脊片的高度；金屬脊片的相關(guān)尺寸滿足2r0＜w≤a，0＜d＜0.5b，2r0＜h≤H。
專利摘要一種脊加載曲折波導(dǎo)慢波線，屬于微波真空電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及行波管放大器件。由一系列的圓弧彎曲波導(dǎo)(或直角彎曲波導(dǎo))和直波導(dǎo)首尾連接而成，等同于由矩形波導(dǎo)沿電場面周期性彎曲成U型曲折線(或直角型曲折線)，形成曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；在每個曲折單元的直波導(dǎo)內(nèi)壁加載有一定厚度的金屬脊片；在波導(dǎo)壁和金屬脊片上沿慢波結(jié)構(gòu)的中軸對稱線的位置處開有圓形通孔，相鄰兩個曲折單元的直波導(dǎo)的圓形通孔之間，采用與圓形通孔孔徑尺寸相同的金屬管連接，形成電子注通道。本實用新型可以提高曲折波導(dǎo)慢波系統(tǒng)的耦合阻抗，從而使得曲折波導(dǎo)行波管具有更高的增益和效率。
文檔編號H01J23/24GK201465981SQ20092008277
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者魏彥玉, 王文祥, 何俊, 宮玉彬, 岳玲娜, 鞏華榮, 黃民智 申請人:電子科技大學(xué)