本發(fā)明涉及一種電磁波傳輸線(xiàn)。具體地說(shuō)，是涉及一種用于信號(hào)延遲或電磁波源的慢波結(jié)構(gòu)的緊湊型螺旋槽折疊波導(dǎo)。

背景技術(shù)：

折疊傳輸線(xiàn)的第一個(gè)重要應(yīng)用是作為信號(hào)延遲線(xiàn)， 在雷達(dá)等系統(tǒng)中用于信號(hào)延遲。折疊傳輸線(xiàn)的第二個(gè)重要應(yīng)用是在行波管放大器中作為慢波結(jié)構(gòu)使用。這時(shí)，電子束沿一定直線(xiàn)電子通道傳播，而電磁波則沿著彎折的傳輸線(xiàn)傳播。 雖然在折疊傳輸線(xiàn)內(nèi)傳播的電磁波的相速很快， 可以接近于光速， 甚至大于光速， 但在該直線(xiàn)電子通道中， 電子束感受到的電磁波的相速可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光速。采用折疊傳輸線(xiàn)構(gòu)成的行波管的電子束能量可以大大降低，有利于器件的小型化。

傳統(tǒng)的折疊傳輸線(xiàn)一般采用傳輸線(xiàn)連續(xù)彎曲而成。 比如波導(dǎo)延遲線(xiàn)和折疊波導(dǎo)行波管中的折疊波導(dǎo)將波導(dǎo)彎曲疊放。由于過(guò)小的彎曲曲率半徑將導(dǎo)致信號(hào)的反射，這種延遲線(xiàn)的體積通常都比較大。折疊波導(dǎo)行波管放大器中的普通的慢波結(jié)構(gòu)采用矩形波導(dǎo)段與U形波導(dǎo)端分別交替連接構(gòu)成， 同樣有體積大的問(wèn)題。普通的折疊波導(dǎo)行波管存在的另一個(gè)問(wèn)題是帶寬問(wèn)題。這種行波管中采用的折疊波導(dǎo)一般為二維結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)在一個(gè)過(guò)Z軸的平面，比如XZ平面內(nèi)連續(xù)彎曲。在這種折疊波導(dǎo)中， 沿Z軸傳播的電子在通過(guò)一個(gè)周期的折疊波導(dǎo)時(shí)，有兩個(gè)與電磁波相互作用的區(qū)域。 在這兩個(gè)互作用區(qū)域中，傳輸?shù)碾娮邮惺艿降碾姶挪ǖ南辔徊畛姶挪ㄑ卦撜郫B波導(dǎo)的彎折途徑傳輸所決定的相位差外，還包括由于傳輸線(xiàn)的180度彎折波導(dǎo)致的電磁場(chǎng)方向反向所決定的180度的所謂“形狀相位差”。這個(gè)形狀相位差的存在，使得沿Z軸方向傳播的電子束與沿折疊波導(dǎo)傳播的電磁波在沿Z方向的速度同步條件下，在同一周期中的兩個(gè)互作用區(qū)域中，電子束所受到的沿Z軸方向的作用力會(huì)切換方向，導(dǎo)致電磁波從電子束獲得的能量相互抵消。為了解決這個(gè)問(wèn)題，電子束沿Z方向的速度與電磁波沿Z方向的平均相速必須失配。由此帶來(lái)了對(duì)折疊波導(dǎo)行波管的相對(duì)帶寬的嚴(yán)重限制。普通的折疊波導(dǎo)行波管存在的另一個(gè)問(wèn)題是由于單電子書(shū)造成的束波互作用的效率問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外有采取2至3根電子束的方案，但與位于結(jié)構(gòu)中心軸上的主電子束相比，其它電子束所經(jīng)歷的電磁波的相位會(huì)有一定程度的失配， 導(dǎo)致器件總體性能的下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種沒(méi)有形狀相位差的螺旋槽折疊波導(dǎo)。這種方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、工作頻率寬, 結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，我們的方案為，螺旋槽折疊波導(dǎo)，包括一根繞Z方向螺旋彎曲的波導(dǎo)和安裝在波導(dǎo)端部的輸入輸出波導(dǎo)；波導(dǎo)螺旋彎曲360度后形成一個(gè)周期；至少存在2個(gè)周期；每彎曲一周形成一個(gè)最短波導(dǎo)周期；X軸、Y軸和Z軸構(gòu)成直角坐標(biāo)系并符合右手定則； O點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)；波導(dǎo)螺旋彎曲后形成一個(gè)螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；由于最短波導(dǎo)周期的任意整數(shù)倍都可以作為該螺旋槽折疊波導(dǎo)的一個(gè)周期，這里對(duì)最短波導(dǎo)周期做出了定義。

存在一與Z軸平行的直線(xiàn)AB， 所述直線(xiàn)AB與所述任意一個(gè)最短波導(dǎo)周期的交集為一條連續(xù)的線(xiàn)段CD。這樣，任意與Z軸平行的直線(xiàn)與任意一個(gè)最短波導(dǎo)周期只有一條連續(xù)的交匯線(xiàn)段。這是本發(fā)明與傳統(tǒng)的折疊波導(dǎo)行波管中的螺旋槽折疊波導(dǎo)的顯著區(qū)別之一。在傳統(tǒng)的折疊波導(dǎo)行波管中，任意與Z軸平行的直線(xiàn)與任意一個(gè)最短波導(dǎo)周期有兩條連續(xù)的交匯線(xiàn)段。

該螺旋槽折疊波導(dǎo)作為慢波結(jié)構(gòu)使用時(shí)，需要設(shè)置至少一根直線(xiàn)電子通道。該直線(xiàn)電子束通道與Z軸平行。所述直線(xiàn)電子束通道與所述直線(xiàn)AB重合。作為最佳設(shè)計(jì)，所述線(xiàn)段CD通過(guò)所述最短波導(dǎo)周期中電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度的最大幅值點(diǎn)。也就是說(shuō)，直線(xiàn)電子通道通過(guò)該螺旋槽折疊波導(dǎo)中電場(chǎng)強(qiáng)度最大的位置。

不失一般性， 我們定義所述任意最短波導(dǎo)周期的兩端面的位置如下：任意最短波導(dǎo)周期的兩端面都與YZ平面平行。 所述最短波導(dǎo)周期的兩端面的形狀為矩形；所述任一最短波導(dǎo)周期的兩端面的寬邊都與Y軸方向平行。

或者，所述最短波導(dǎo)周期的兩端面為單脊矩形波導(dǎo)； 所述任一最短波導(dǎo)周期的兩端面中的任意端面的寬邊與Y軸方向平行，所述單脊矩形波導(dǎo)的脊位于該波導(dǎo)的一個(gè)寬邊上。

或者，最短波導(dǎo)周期的兩端面為雙脊矩形波導(dǎo)；所述任一最短波導(dǎo)周期的兩端面中的任意端面的寬邊與Y軸方向平行，所述雙脊矩形波導(dǎo)的雙脊分別位于該波導(dǎo)的兩個(gè)寬邊上。

作為實(shí)現(xiàn)方式之一，所述螺旋槽折疊波導(dǎo)由一定位于YZ平面內(nèi)的形狀同時(shí)圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)并沿Z軸方向均勻移動(dòng)構(gòu)成；所述一定位于YZ平面內(nèi)的形狀與Z軸沒(méi)有交點(diǎn)。

為了便于加工，所述螺旋槽折疊波導(dǎo)的至少2個(gè)最短波導(dǎo)周期布置在一個(gè)圓柱內(nèi)導(dǎo)體上；該多個(gè)最短波導(dǎo)周期的外表面與該圓柱內(nèi)導(dǎo)體的外表面重合。這時(shí)，所述螺旋槽折疊波導(dǎo)可以在一根金屬圓柱體的外表面利用普通數(shù)控車(chē)床加工完成。這里的所謂外表面是相對(duì)于該螺旋槽折疊波導(dǎo)的軸線(xiàn)所決定的中心線(xiàn)而定義。

為了便于對(duì)所述螺旋槽折疊波導(dǎo)進(jìn)行真空密封， 所述螺旋槽折疊波導(dǎo)還包括至少兩個(gè)外導(dǎo)體； 所述外導(dǎo)體的內(nèi)表面都與所述圓柱內(nèi)導(dǎo)體的外表面重合；所有所述外導(dǎo)體將所述內(nèi)導(dǎo)體外表面密封。

當(dāng)電磁波的頻率接近所述折疊波導(dǎo)的工作模式的截止頻率時(shí)，所述直線(xiàn)AB與所述任意兩個(gè)沿Z方向相鄰的最短波導(dǎo)周期的交集處的電磁波的相位差趨于零。

本發(fā)明提出了采用矩形波導(dǎo)、單脊波導(dǎo)、雙脊波導(dǎo)或其它形狀的波導(dǎo)的各種周期性螺旋槽折疊波導(dǎo)。在已有的傳統(tǒng)的折疊波導(dǎo)慢波線(xiàn)的基礎(chǔ)上，很好地解決了形狀相位差帶來(lái)的電子束與電磁波之間的寬頻帶同步問(wèn)題。該發(fā)明也可以用作緊湊的信號(hào)延遲線(xiàn)。采用該螺旋槽折疊波導(dǎo)作為行波管的互作用波導(dǎo)，可望大大降低高頻微波、毫米波，甚至太赫茲器件所需的電子束能量， 增大其功率并展寬其工作帶寬。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1的沿Z軸方向的端面示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例2示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3的圓柱內(nèi)導(dǎo)體示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3的外導(dǎo)體示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3沿Z軸方向的端面示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3的一個(gè)最小周期示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3的示意圖（包括多根直線(xiàn)電子束通道）；

圖10為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例3的示意圖（包括多根直線(xiàn)電子束通道和圓柱內(nèi)導(dǎo)體）；

附圖中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)名稱(chēng)：1-輸入輸出波導(dǎo)，2-最短波導(dǎo)周期，7-直線(xiàn)電子束通道, 9-圓柱內(nèi)導(dǎo)體，9a-外導(dǎo)體。

實(shí)施實(shí)例1

如圖1和2所示。

螺旋槽折疊波導(dǎo)，包括沿Z軸方向依次連通并重復(fù)的3個(gè)最短波導(dǎo)周期2和輸入輸出波導(dǎo)1。

與Z軸平行的直線(xiàn)AB，與所述任意一個(gè)最短波導(dǎo)周期的交集為一條連續(xù)的線(xiàn)段CD。

設(shè)置有4根直線(xiàn)電子通道7。該直線(xiàn)電子束通道7與Z軸平行。所述直線(xiàn)電子束通道7與所述直線(xiàn)AB重合。所述線(xiàn)段CD通過(guò)所述最短波導(dǎo)周期中電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度的最大幅值點(diǎn)。也就是說(shuō)，直線(xiàn)電子通道7通過(guò)該螺旋槽折疊波導(dǎo)中電場(chǎng)強(qiáng)度最大的位置。

所述最短波導(dǎo)周期的兩端面為單脊矩形波導(dǎo)； 所述任一最短波導(dǎo)周期的兩端面中的任意端面的寬邊與Y軸方向平行，所述單脊矩形波導(dǎo)的脊位于該波導(dǎo)的一個(gè)寬邊上。

所述螺旋槽折疊波導(dǎo)由位于YZ平面內(nèi)的“凹”形形狀同時(shí)圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)并沿Z軸方向均勻移動(dòng)構(gòu)成；所述一定位于YZ平面內(nèi)的形狀與Z軸沒(méi)有交點(diǎn)。

當(dāng)電磁波的頻率接近所述折疊波導(dǎo)的工作模式的截止頻率時(shí)，所述直線(xiàn)AB與所述任意兩個(gè)沿Z方向相鄰的最短波導(dǎo)周期的交集處的電磁波的相位差趨于零。

實(shí)施實(shí)例2

如圖3所示。

與實(shí)施實(shí)例1相比，不同之處僅在于:最短波導(dǎo)周期的兩端面為雙脊矩形波導(dǎo)；所述任一最短波導(dǎo)周期的兩端面中的任意端面的寬邊與Y軸方向平行，所述雙脊矩形波導(dǎo)的雙脊分別位于該波導(dǎo)的兩個(gè)寬邊上。

實(shí)施實(shí)例3

如圖4-10所示。與實(shí)施實(shí)例1相比，不同之處僅在于:

最短波導(dǎo)周期的兩端面都與YZ平面平行。 所述最短波導(dǎo)周期的兩端面的形狀為矩形；所述任一最短波導(dǎo)周期的兩端面的寬邊都與Y軸方向平行。

所述螺旋槽折疊波導(dǎo)的6個(gè)最短波導(dǎo)周期布置在一個(gè)圓柱內(nèi)導(dǎo)體9上；該多個(gè)最短波導(dǎo)周期的外表面與該圓柱內(nèi)導(dǎo)體9的外表面重合。

所述螺旋槽折疊波導(dǎo)還包括兩個(gè)外導(dǎo)體9a； 所述外導(dǎo)體9a的內(nèi)表面都與所述圓柱內(nèi)導(dǎo)體9的外表面重合；所有所述外導(dǎo)體9a將所述內(nèi)導(dǎo)體外表面密封。

共設(shè)置有8根直線(xiàn)電子束。

以上我們給出了螺旋槽折疊波導(dǎo)的幾個(gè)實(shí)施實(shí)例。在這些實(shí)例中，為了繪制示意圖的方便，螺旋槽折疊波導(dǎo)的周期數(shù)為3-6個(gè)。實(shí)際上，在電磁波源，特別是在行波管中，螺旋槽折疊波導(dǎo)的周期數(shù)可以多達(dá)幾十個(gè)。同時(shí)，在以上的實(shí)施實(shí)例中，為了加工這些螺旋槽折疊波導(dǎo)，需要采取線(xiàn)切割、數(shù)控車(chē)銑等加工方法，許多內(nèi)角需要倒角處理。這些倒角會(huì)對(duì)螺旋槽折疊波導(dǎo)的性能產(chǎn)生影響，在建模計(jì)算時(shí)必須加以考慮。