一種小型全金屬慢波器件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】該發(fā)明屬于真空電子【技術(shù)領(lǐng)域】中工作在厘米波及毫米波波段行波管或返波管用小型全金屬慢波器件，包括內(nèi)徑不大于工作在中心頻率的電磁波自由空間波長(zhǎng)1/3的圓筒形金屬波導(dǎo)體，間隔設(shè)于波導(dǎo)體內(nèi)的中部開(kāi)設(shè)有一電子束通道、在諧振片的環(huán)形片體上對(duì)稱開(kāi)設(shè)了兩個(gè)耳廓形通孔的環(huán)片式金屬電諧振片；該發(fā)明由于在各諧振片的環(huán)形片體上對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)產(chǎn)生電諧振的耳廓形通孔，從而有效消除了電磁相互耦合、只存在由電偶極子產(chǎn)生的電諧振；以工作在S波段的慢波器件為例，該發(fā)明全金屬慢波器件的截面積僅為傳統(tǒng)耦合腔行波管截面積的35-50％。因而該全金屬慢波器件具有器件體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率容量高、輸出功率和互作用效率高，以及易于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種小型全金屬慢波器件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于真空電子【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種工作在厘米波及毫米波波段行波管或 返波管用、并具有高功率容量的基于電諧振特性的亞波長(zhǎng)（Sub-wavelength)小型全金屬 慢波器件，在相同工作條件下該慢波器件的截面積僅為傳統(tǒng)相同類(lèi)型慢波器件的35-50%。

【背景技術(shù)】
[0002] 真空電子器件具有高功率、高效率等顯著的優(yōu)點(diǎn)，在電子科技領(lǐng)域如通訊、雷達(dá)、 制導(dǎo)、電子對(duì)抗、微波加熱、加速器、受控?zé)岷司圩兊却罂茖W(xué)裝置上有著重要的應(yīng)用。隨著半 導(dǎo)體功率器件的快速發(fā)展，真空電子器件如行波管在通訊、雷達(dá)等方面面臨巨大的挑戰(zhàn)?？?間行波管由于效率高、功率大、抗外層空間的各種輻射能力強(qiáng)，是目前衛(wèi)星通訊的心臟器件 之一。但如何減小其體積和重量、進(jìn)一步提高效率是其面臨的重大問(wèn)題。另外，在電子干擾 中急需小型化、大功率的真空電子器件作為輻射源；在微波加熱中需要連續(xù)波、大功率、小 型化的功率源。慢波器件是行波管及返波管的核心部件之一，因?yàn)殡娮幼⑴c電磁波在慢波 器件中相互作用，把電子注的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為高功率微波或毫米波輸出。目前常用的慢波器件 有螺旋線、耦合腔、曲折波導(dǎo)和矩形柵等，而目前得以廣泛應(yīng)用的主要是螺旋線和耦合腔兩 類(lèi)慢波器件。
[0003] 螺旋線行波管由于具有寬頻帶特性，因而是目前使用最廣泛的一類(lèi)行波管，但因 其耦合阻抗相對(duì)低，因而輸出功率有限，屬于中小功率放大器件；如工作在S波段的螺旋線 行波管，其耦合阻抗在1〇〇到200歐姆之間，由于其加載介質(zhì)材料，不利于內(nèi)部產(chǎn)生的熱量 向外界傳遞，而且易被較高的電壓擊穿，因此不具備高功率容量。耦合腔行波管由于是全金 屬慢波器件，具有高的功率容量，是目前行波管家族中的中大功率輸出放大器件，其耦合阻 抗在S波段為300-400歐姆之間；但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配困難，不利于批量生產(chǎn)。根據(jù)行波 管的工作原理，其最大輸出功率與耦合阻抗的三分之一次方成正比，因此，提高耦合阻抗是 提高行波管輸出功率和效率的有效方法之一，而提高耦合阻抗，實(shí)際就是增強(qiáng)慢波器件中 的縱向電場(chǎng)強(qiáng)度。
[0004] 1996年英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Pendry等人用一定周期排列的金屬細(xì)桿（Rod)陣列 構(gòu)造出等效介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)的等效介質(zhì)（J. B. Pendry, A. J. Holden, W. J. Stewart, and I.Youngs.Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures. Phys. Rev. Lett.，Vol. 76, 4773-4776, 1996.)。2005 年，西班牙學(xué)者 Esteban 等基于 Pendry 等的理論，在工作于截止頻率之下的矩形波導(dǎo)中加載二維的金屬桿（一般采用銅材 料）陣列（如下圖1所示），從原理上說(shuō)明了該波導(dǎo)也可以傳播準(zhǔn)TM波（J.E Steban，C. Camacho-Penalosa, J. E. Page, T. M. Martin-Guerrero, and E. Marquez-Segura. Simulation of negative permittivity and negative permeability by means of evanescent waveguide modes-theory and experiment. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. , Vol. 53, No. 4, 1506-1 514, 2005.)。但由于在加載人工電磁媒質(zhì)的矩形波導(dǎo)中不能很好地形成電子注通道、其互作 用效率低，因而不能應(yīng)用于真空電子器件中。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)【背景技術(shù)】存在的缺陷，研究設(shè)計(jì)一種小型全金屬慢波器件， 該慢波器件作為具有高功率容量的基于電諧振特性的全金屬慢波器件，以達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 加工方便，可通過(guò)提高器件的耦合阻抗來(lái)有效增大器件的輸出功率和互作用效率，以及實(shí) 現(xiàn)器件小型化等目的。
[0006] 本發(fā)明的解決方案是基于反向切倫科夫的相干電磁福射機(jī)理，米用圓筒形金屬殼 體作為波導(dǎo)體以代替【背景技術(shù)】的矩形波導(dǎo)體，同時(shí)在圓筒形波導(dǎo)體內(nèi)垂直于筒體軸心線設(shè) 置一組相互平行的金屬電諧振片（單元），在各諧振片的中部均開(kāi)設(shè)一電子束（注）通道、 并在各諧振片的環(huán)形片體上對(duì)稱于直徑開(kāi)設(shè)兩個(gè)耳廓形通孔，以產(chǎn)生電諧振使電磁能量局 域化而大幅度增強(qiáng)縱向電場(chǎng)的強(qiáng)度、進(jìn)而增強(qiáng)慢波器件與電子注的相互作用；本發(fā)明圓筒 形波導(dǎo)體的內(nèi)徑為工作在中心頻率的電磁波自由空間波長(zhǎng)的亞波長(zhǎng)、波導(dǎo)體內(nèi)平行設(shè)置的 各相鄰金屬電諧振片的間距亦根據(jù)工作在中心頻率的電磁波導(dǎo)波波長(zhǎng)決定，整個(gè)器件均采 用無(wú)氧銅制作而不含其它絕緣介質(zhì)；本發(fā)明即以此實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的。因此，本發(fā)明小型全金 屬慢波器件包括金屬波導(dǎo)體，設(shè)于波導(dǎo)體內(nèi)的各金屬電諧振單元，關(guān)鍵在于金屬波導(dǎo)體是 內(nèi)徑為不大于工作在中心頻率的電磁波自由空間波長(zhǎng)1/3的圓筒形金屬波導(dǎo)體，設(shè)于波導(dǎo) 體內(nèi)的各金屬電諧振單元為中部均開(kāi)設(shè)一電子束通道、并在各諧振片的環(huán)形片體上對(duì)稱于 軸截面開(kāi)設(shè)了兩個(gè)耳廓形通孔的環(huán)片式金屬電諧振片，電諧振片上各耳廓形通孔的主體為 圓環(huán)形孔、各圓環(huán)形孔的兩端均設(shè)有一凸向圓心的柱形孔；各環(huán)片式金屬電諧振片垂直于 軸心線、等距離設(shè)置于圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)并通過(guò)各自的外環(huán)面與波導(dǎo)體的內(nèi)壁緊固定成 一體。
[0007] 所述各環(huán)片式金屬電諧振片中部電子束通道的直徑均相等且為圓筒形金屬波導(dǎo) 體內(nèi)徑的0. 25-0. 35。所述各諧振片的環(huán)形片體上對(duì)稱于軸截面開(kāi)設(shè)了兩個(gè)耳廓形通孔， 各電諧振片上的兩個(gè)對(duì)稱的耳廓形通孔的兩兩相對(duì)端面之間的距離均為圓筒形金屬波導(dǎo) 體內(nèi)徑的〇. 05- 0. 075。所述電諧振片上各耳廓形通孔的主體為圓環(huán)形孔、各圓環(huán)形孔的 兩端均設(shè)有一凸向圓心的柱形孔，圓環(huán)形孔的外環(huán)面半徑為圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)半徑的 0.85-0. 95、圓環(huán)形孔內(nèi)-外環(huán)面的距離（即孔的徑向?qū)挘閳A筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)半徑的 0. 125-0. 175,柱形孔底面寬為圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)半徑的0. 05-0. 175、柱形孔底面距圓筒 形金屬波導(dǎo)體的中心線的垂直距離（即波導(dǎo)體中心線與柱形孔底面的延長(zhǎng)面之間的垂線 長(zhǎng)）為圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)半徑的〇. 55-0. 65。所述各環(huán)片式金屬電諧振片垂直于軸心線、 等距離設(shè)置于圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)，環(huán)片式金屬電諧振片的個(gè)數(shù)為15 - 30 (個(gè)）、各相鄰環(huán) 片式金屬電諧振片之間的距離均不大于工作在中心頻率的電磁波導(dǎo)波波長(zhǎng)的3/5、各環(huán)片 式金屬電諧振片的厚度為1_2_。所述不大于工作在中心頻率的電磁波自由空間波長(zhǎng)1/2 的圓筒形金屬波導(dǎo)體，圓筒形金屬波導(dǎo)體的內(nèi)徑為工作在中心頻率的電磁波自由空間波長(zhǎng) 的 0· 15-0. 25。
[0008] 本發(fā)明采用圓筒形金屬殼體作為波導(dǎo)體，同時(shí)在圓筒形波導(dǎo)體內(nèi)垂直于筒體軸心 線平行設(shè)置一組金屬電諧振片，在各諧振片中部均開(kāi)設(shè)有一電子束（注）通道、且在各諧振 片的環(huán)形片體上對(duì)稱于直徑開(kāi)設(shè)兩個(gè)耳廓形通孔。本發(fā)明由于在各諧振片的環(huán)形片體上對(duì) 稱設(shè)置兩個(gè)產(chǎn)生電諧振的耳廓形通孔，從而有效消除了電磁相互耦合、只存在由電偶極子 產(chǎn)生的電諧振；由于電諧振的存在，導(dǎo)致了電磁能量的局域化，從而大大增強(qiáng)了縱向電場(chǎng)強(qiáng) 度，也就大大增強(qiáng)了耦合阻抗，進(jìn)而提高本發(fā)明慢波器件的輸出功率和互作用效率；此外， 本發(fā)明圓筒形金屬波導(dǎo)體的內(nèi)徑為工作在中心頻率的電磁波亞波長(zhǎng)，并采用擊穿電壓高、 有利于散熱和提高功率容量的全金屬（無(wú)氧銅）制作，又使慢波器件易于小型化；本發(fā)明S 波段全金屬慢波器件的直徑為40_，而工作在S波段的傳統(tǒng)圓波導(dǎo)其直徑為114_(對(duì)于 TiV模而言）、本發(fā)明的橫截面積僅為其12.5%左右；而以工作在3波段的傳統(tǒng)耦合腔行波 管為例，其橫截面積一般在50 X 50mm至60 X 60mm之間，本發(fā)明也僅為其35-50%。因而，本 發(fā)明具有器件體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率容量高、輸出功率和互作用效率高，以及易于產(chǎn)業(yè)化 生產(chǎn)等特點(diǎn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖（剖視圖）；
[0010] 圖2為圖1的Z向視圖；
[0011] 圖3 :為本發(fā)明具體實(shí)方式的色散曲線對(duì)比圖及歸一化相速圖；其中：3a為模式1 和模式2的色散曲線對(duì)比圖，3b為模式1的歸一化相速圖；
[0012] 圖4是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的耦合阻抗對(duì)比圖；其中：4a、4b分別為模式1及模式 2的耦合阻抗對(duì)比圖；
[0013] 圖5是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】模式1的衰減常數(shù)隨頻率的變化圖（坐標(biāo)圖）；
[0014] 圖6為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】模式1的軸向截面電場(chǎng)分布75意圖；中6a為垂向軸截 面電場(chǎng)分布不意圖、6b為水平軸截面電場(chǎng)分布75意圖；
[0015] 圖7是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】模式1的橫截面電場(chǎng)分布示意圖；
[0016] 圖8是本發(fā)明【具體實(shí)施方式】模式1的水平軸截面磁場(chǎng)分布示意圖。
[0017] 圖中：1.圓筒形金屬波導(dǎo)體，2.環(huán)片式金屬電諧振片，3.電子束通道，4.耳廓形通 孔、4-1.(耳廓形通孔）端面、4-2.柱形孔底面。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 本實(shí)施方式以工作頻率范圍為2. 45-2. 50GHz的小型化全金屬慢波器件為例： [0019] 根據(jù)工作在中心頻率2. 475GHz的被導(dǎo)電磁波的導(dǎo)波波長(zhǎng)為85mm，自由空間波長(zhǎng) 為110mm ;本實(shí)施方式：圓筒形金屬波導(dǎo)體1內(nèi)徑Φ40ι?πι、壁厚為5mm，本實(shí)施方式內(nèi)設(shè)24 個(gè)環(huán)片式金屬電諧振片2、各相鄰諧振片的中心距均為30mm ;環(huán)片式金屬電諧振片2的外 徑亦為Φ40ι?πι、片體厚1. 2mm ;設(shè)于中心部位的電子束通道3直徑Φ 12mm ;對(duì)稱于軸截面 開(kāi)設(shè)的兩個(gè)耳廓形通孔4中的各耳廓形通孔中圓環(huán)形孔的外環(huán)面半徑R18mm、內(nèi)環(huán)面半徑 R15mm(即內(nèi)-外環(huán)面的距離為3mm),各圓環(huán)形孔兩端的柱形孔底面4-2寬3mm、柱形孔底 面與圓筒形金屬波導(dǎo)體中心線的垂直距離為13mm(即各耳廓形通孔兩端面4-1徑向?qū)挒?5mm)，同一電諧振片2上的兩個(gè)對(duì)稱的耳廓形通孔兩端面4-1之間的距離均為2mm ;上述圓 筒形金屬波導(dǎo)體1和各環(huán)片式金屬電諧振片2的材質(zhì)均為無(wú)氧銅，各金屬電諧振片2的外 環(huán)面與波導(dǎo)體1的內(nèi)環(huán)面之間緊固連接。
[0020] 利用三維電磁仿真軟件對(duì)本實(shí)施方式進(jìn)行仿真運(yùn)行，其中：圖3為色散曲線對(duì)比 圖及歸一化相速圖（3a為模式1和模式2的色散曲線對(duì)比圖，3b為模式1的歸一化相速 圖），3a中模式1為返波，其相速和群速剛好反向，而模式2為前向波、其相速和群速剛好同 向，在實(shí)施方式中采用模式1作為工作模式，3b中模式1的歸一化相速（相速與光速之比） 為0. 56-0. 86 ;圖4為本實(shí)施方式的耦合阻抗對(duì)比圖（4a、4b分別為模式1及模式2的耦合 阻抗對(duì)比圖），圖中可以看出相對(duì)于螺旋線行波管和耦合器行波管的慢波器件而言（其耦 合阻抗見(jiàn)【背景技術(shù)】）本實(shí)方式耦合阻抗增加了 2-3倍、耦合阻抗更高，從而大大提高了器件 的輸出功率和互作用效率；相對(duì)于模式1 (工作模式）而言，模式2 (高次模）的耦合阻抗極 低（約差5個(gè)數(shù)量級(jí)），有利于大大地抑制高次模的干擾，使信號(hào)的工作頻譜更純；圖5為本 發(fā)明【具體實(shí)施方式】模式1的衰減常數(shù)隨頻率的變化圖，從圖中可看出在2. 45-2. 50GHz的工 作頻率范圍內(nèi)，工作模式的衰減常數(shù)僅為0. 053-0. 14dB/cm，這充分表明本實(shí)施方式慢波器 件更有利于提高行波管或返波管的電子效率和輸出功率；圖6和7為電場(chǎng)分布示意圖、圖8 為磁場(chǎng)分布示意圖，從圖中可看出工作模式為準(zhǔn)TM模，這正是行波管或返波管所需的工作 模式；且根據(jù)電磁理論中的縮尺原理可工作在毫米波及太赫茲波段。
[0021] 本實(shí)施方式用于S波段的全金屬慢波器件的直徑為40mm、而工作在S波段的傳統(tǒng) 圓波導(dǎo)其直徑為114mm(對(duì)于TMm模而言），本實(shí)施方式的橫截面積不足其12. 5% ;而以工 作在S波段的傳統(tǒng)耦合腔行波管為例，其橫截面積一般在50 X 50mm至60 X 60mm之間，本實(shí) 施方式僅為其35-50%。
【權(quán)利要求】
1. 一種小型全金屬慢波器件，包括金屬波導(dǎo)體，設(shè)于波導(dǎo)體內(nèi)的各金屬電諧振單元，其 特征在于金屬波導(dǎo)體是內(nèi)徑為不大于工作在中心頻率的電磁波自由空間波長(zhǎng)1/3的圓筒 形金屬波導(dǎo)體，設(shè)于波導(dǎo)體內(nèi)的各金屬電諧振單元為中部均開(kāi)設(shè)一電子束通道、并在各諧 振片的環(huán)形片體上對(duì)稱于軸截面開(kāi)設(shè)了兩個(gè)耳廓形通孔的環(huán)片式金屬電諧振片，電諧振片 上各耳廓形通孔的主體為圓環(huán)形孔、各圓環(huán)形孔的兩端均設(shè)有一凸向圓心的柱形孔；各環(huán) 片式金屬電諧振片垂直于軸心線、等距離設(shè)置于圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)并通過(guò)各自的外環(huán)面 與波導(dǎo)體的內(nèi)壁緊固定成一體。
2. 按權(quán)利要求1所述小型全金屬慢波器件，其特征在于所述各環(huán)片式金屬電諧振片中 部電子束通道的直徑均相等且為圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)徑的〇. 25-0. 35。
3. 按權(quán)利要求1所述小型全金屬慢波器件，其特征在于所述各諧振片的環(huán)形片體上對(duì) 稱于軸截面開(kāi)設(shè)了兩個(gè)耳廓形通孔，各電諧振片上的兩個(gè)對(duì)稱的耳廓形通孔的兩兩相對(duì)端 面之間的距離均為圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)徑的0. 05- 0. 075。
4. 按權(quán)利要求1所述小型全金屬慢波器件，其特征在于所述電諧振片上各耳廓形通 孔的主體為圓環(huán)形孔、各圓環(huán)形孔的兩端均設(shè)有一凸向圓心的柱形孔，圓環(huán)形孔的外環(huán)面 半徑為圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)半徑的0. 85-0. 95、圓環(huán)形孔內(nèi)-外環(huán)面的距離為圓筒形金屬 波導(dǎo)體內(nèi)半徑的〇· 125-0. 175,柱形孔底面寬為圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)半徑的0· 05-0. 175、 柱形孔底面距圓筒形金屬波導(dǎo)體的中心線的垂直距離為圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)半徑的 0. 55-0. 65〇
5. 按權(quán)利要求1所述小型全金屬慢波器件，其特征在于所述各環(huán)片式金屬電諧振片垂 直于軸心線、等距離設(shè)置于圓筒形金屬波導(dǎo)體內(nèi)，環(huán)片式金屬電諧振片的個(gè)數(shù)為15-30、各 相鄰環(huán)片式金屬電諧振片之間的距離均不大于工作在中心頻率的電磁波導(dǎo)波波長(zhǎng)的3/5、 各環(huán)片式金屬電諧振片的厚度為1-2_。
6. 按權(quán)利要求1所述小型全金屬慢波器件，其特征在于所述內(nèi)徑為不大于工作在中心 頻率的電磁波自由空間波長(zhǎng)1/2的圓筒形金屬波導(dǎo)體，圓筒形金屬波導(dǎo)體的內(nèi)徑為工作在 中心頻率的電磁波自由空間波長(zhǎng)的0. 15-0. 25。
【文檔編號(hào)】H01J23/24GK104064422SQ201410280414
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月21日
【發(fā)明者】段兆云, 王彥帥, 黃祥, 馬新武, 黃民智, 宮玉彬 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)