本發(fā)明屬于徑向束行波管慢波系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及基于光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

行波管作為微波功率器件，具有頻帶寬、功率大、效率高、增益大及壽命長等特點(diǎn)，在電子對抗、軍民通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其性能決定這整機(jī)裝備的整體水平。

目前常用的螺旋線行波管、耦合腔行波管、折疊波導(dǎo)行波管等，由于尺寸共度效應(yīng)，慢波結(jié)構(gòu)的尺寸會隨著工作頻率的提高而減小，導(dǎo)致在高頻工作時(shí)，電子注通道的尺寸被大幅度的壓縮，要求更嚴(yán)格的加工精度和裝配精度。同時(shí)，對行波管的電子槍的要求也相應(yīng)提高，更小的陰極頭、更大的電流發(fā)射密度，都會對電子槍的性能和壽命帶來不利的影響。

使用角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)的徑向束行波管，相對于上述常用的行波管具有工作電壓低、體積小、工藝一致性好等特點(diǎn)。采用角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)的行波管將極大擴(kuò)展行波管的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明目的在于提供基于光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)有技術(shù)由于介質(zhì)基底存在電荷積累形成電場導(dǎo)致電子注偏離徑向軌跡，可能造成微帶慢波結(jié)構(gòu)損毀以及電子注偏離有效互作用區(qū)域而造成行波管效率降低,以及由于尺寸共度效應(yīng)，行波管慢波系統(tǒng)的尺寸隨著工作頻率升高而減小，電子注通道的尺寸隨之受到大幅度壓縮而導(dǎo)致工藝成本增加、性能與穩(wěn)定性降低等技術(shù)問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種微帶慢波結(jié)構(gòu)，包括

微帶慢波結(jié)構(gòu)，按角度徑向?qū)?shù)規(guī)律呈周期的曲折線結(jié)構(gòu)分布；

光子帶隙結(jié)構(gòu)，與微帶慢波結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立、與微帶慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)行波位移矢量有間隔距離且對行波的傳播場產(chǎn)生互作用。

上述方案中，所述的光子帶隙結(jié)構(gòu)，呈對稱結(jié)構(gòu)，其中心線與微帶慢波結(jié)構(gòu)沿行波位移矢量方向上的中心線在垂直行波位移矢量方向的投影重合。

上述方案中，所述的光子帶隙結(jié)構(gòu)，為由E字母形結(jié)構(gòu)和鏡像E字母形結(jié)構(gòu)的中部凸起互相連接構(gòu)成的對稱結(jié)構(gòu)，連接段所在直線與微帶慢波結(jié)構(gòu)沿行波位移矢量方向上中心線在垂直行波位移矢量方向上的投影重合；

所述E字母形結(jié)構(gòu)和鏡像E字母形結(jié)構(gòu)的兩端凸起還均具有朝向中部凸起的拐角部。

上述方案中，所述光子帶隙結(jié)構(gòu)，設(shè)置于微帶慢波結(jié)構(gòu)正投影面內(nèi)且其沿行波位移矢量方向的分布特征為獨(dú)立的兩個(gè)或均勻分布、獨(dú)立的至少三個(gè)。

基于光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)，包括

介質(zhì)基底；

微帶慢波結(jié)構(gòu)，具有輸入端和輸出端，按角度徑向?qū)?shù)規(guī)律呈周期的曲折線結(jié)構(gòu)分布并設(shè)置于介質(zhì)基底一側(cè)；

側(cè)邊微帶線，其外包絡(luò)線與微帶慢波結(jié)構(gòu)外包絡(luò)線有間隔距離并設(shè)置于與微帶慢波結(jié)構(gòu)相同的介質(zhì)基底一側(cè)；

光子帶隙結(jié)構(gòu)，設(shè)置于介質(zhì)基底另一側(cè)且其中心位于微帶慢波結(jié)構(gòu)在介質(zhì)基底該側(cè)的投影區(qū)域內(nèi)。

上述方案中，所述的介質(zhì)基底，采用扇形體結(jié)構(gòu)，微帶慢波結(jié)構(gòu)沿行波位移矢量方向的中心線與第一扇形平面的對稱軸重合，側(cè)邊微帶線分別設(shè)置于第一扇形平面直線邊緣，光子帶隙結(jié)構(gòu)設(shè)置于第二扇形平面。

上述方案中，所述的介質(zhì)基底，為扇形幾何結(jié)構(gòu)的、厚度為0.254毫米的石英介質(zhì)板，與微帶慢波結(jié)構(gòu)重合的位置有一定高度的凸起。

上述方案中，所述的微帶慢波結(jié)構(gòu)，為具有一定角向角度的對數(shù)螺旋線通過交替首尾相連構(gòu)成的微帶線，并在直角彎曲處有倒角。

上述方案中，所述的側(cè)邊微帶線，包括相對微帶慢波結(jié)構(gòu)的金屬短弧帶或沿第一扇形平面直線邊緣均勻分布的金屬短弧帶陣列。

上述方案中，所述的側(cè)邊微帶線為具有一定寬度的、端部有延長的V形微帶線，呈陣列分布，居于微帶慢波結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，且與其同位于介質(zhì)基底的同一面。

上述方案中，所述的光子帶隙結(jié)構(gòu)，為由E字母形結(jié)構(gòu)和鏡像E字母形結(jié)構(gòu)的中部凸起互相連接構(gòu)成的對稱結(jié)構(gòu)，連接段所在直線與微帶慢波結(jié)構(gòu)沿行波位移矢量方向上中心線在垂直行波位移矢量方向上的投影在介質(zhì)基底另一側(cè)相重合；

所述E字母形結(jié)構(gòu)和鏡像E字母形結(jié)構(gòu)的兩端凸起還均具有朝向中部凸起的拐角部；

所述的光子帶隙結(jié)構(gòu)，其分布特征為一個(gè)、兩個(gè)或均勻分布的至少三個(gè)。

一種光子帶隙結(jié)構(gòu)，包括E字母形結(jié)構(gòu)，E字母形結(jié)構(gòu)的兩端凸起具有朝向中部凸起的拐角部。

上述方案中，還包括鏡像E字母形結(jié)構(gòu)，鏡像E字母形結(jié)構(gòu)的兩端凸起具有朝向中部凸起的拐角部；

所述的光子帶隙結(jié)構(gòu)，為由E字母形結(jié)構(gòu)和鏡像E字母形結(jié)構(gòu)的中部凸起互相連接共同構(gòu)成的對稱結(jié)構(gòu)，或者為所述對稱結(jié)構(gòu)與E字母形結(jié)構(gòu)和/或鏡像E字母形結(jié)構(gòu)通過排列分布構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

通過引入光子帶隙結(jié)構(gòu)，利用耦合傳播場的互作用，顯著提升了行波管的輸出功率，在所需輸出功率一定的情況下，無需以進(jìn)一步提高電子注總電流為代價(jià)去獲得功率提升而同時(shí)增加不必要的工藝成本、損失電子槍的性能和穩(wěn)定性，同時(shí)降低了大電子注束流密度時(shí)所需聚焦系統(tǒng)的復(fù)雜程度；

通過引入微帶線結(jié)構(gòu)，將介質(zhì)基底的積累電荷消除，降低介質(zhì)基底的電荷積累效應(yīng)，減弱了由于介質(zhì)基底所積累的電荷對微帶慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)電子注的干擾，從而保證電子注與微波進(jìn)行有效的互作用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的側(cè)邊微帶線結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的介質(zhì)基底俯視圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的介質(zhì)基底前視圖及局部放大圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的側(cè)邊微帶線陣列俯視圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例的光子帶隙結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的光子帶隙結(jié)構(gòu)陣列的仰視圖；

圖8為本發(fā)明一種放于金屬腔內(nèi)實(shí)施例安裝結(jié)構(gòu)示意圖，1-金屬腔體，2-陰極，3-光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)，4-輸入端口，5-輸出端口；

圖9為本發(fā)明一種放于金屬腔內(nèi)實(shí)施例輸入端部分放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例的對數(shù)螺旋線示意圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例的角度對數(shù)曲折線示意圖；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例的有光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)的仿真模型立體結(jié)構(gòu)示意圖，上部分為仰視角結(jié)構(gòu)，下部分為俯視角結(jié)構(gòu)；

圖13為本發(fā)明實(shí)施例的有光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)的注波互作用仿真結(jié)果曲線圖；

圖14為實(shí)施例的無光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)的仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖15為實(shí)施例的無光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)的注波互作用仿真結(jié)果曲線圖；

圖16為本發(fā)明實(shí)施例的有光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的微帶慢波結(jié)構(gòu)徑向電場分布圖；

圖17為本發(fā)明實(shí)施例的無光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的微帶慢波結(jié)構(gòu)徑向電場分布圖。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

通過在其他形狀結(jié)構(gòu)的介質(zhì)基底上構(gòu)建共面或異面的慢波結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的光子帶隙結(jié)構(gòu)，只要其實(shí)質(zhì)是利用電磁場矢量或分量通過互作用形成耦合電磁分布場以提升行波管性能，都將僅僅是本發(fā)明的一種實(shí)施例。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

實(shí)施例1

w為角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線的寬度，θ為角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線的角向角度，r為角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線的對數(shù)螺旋線的初始半徑，l_sws為角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線的徑向長度，c_sws為角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線的直角折彎出的45°倒角長度，d_lr為角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線的輸入輸出端延長段長度，n為周期數(shù)。

p為構(gòu)成光子帶隙結(jié)構(gòu)圖案的微帶線的寬度，p1為正方形光子帶隙結(jié)構(gòu)的邊長，p2為光子帶隙結(jié)構(gòu)的局部方形圖案的長度。

rc為側(cè)邊微帶線頂端及兩端圓弧的半徑，θc為側(cè)邊微帶線的斜邊夾角，dc1為側(cè)邊微帶線的整體寬度，dc2為側(cè)邊微帶線的微帶線寬度，dh1為側(cè)邊微帶線兩端圓弧圓心距離底端的高度，dh2為側(cè)邊微帶線頂端圓弧所在的圓心距離底端的高度。

d_lr“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”輸入輸出延長線的長度，同時(shí)也是介質(zhì)基板的邊緣到“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”邊緣的距離，為d_ud為“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”的輸入、輸出延長線與介質(zhì)基板邊緣起點(diǎn)之間的距離，介質(zhì)基板的邊的夾角與“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”的角度相同，為θ。r_ds為起始端介質(zhì)基底的圓弧半徑，r_db為結(jié)束端介質(zhì)基底的圓弧半徑。

t_d為介質(zhì)基底的厚度，d_stg為與“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”幾何尺寸相同的介質(zhì)基底臺階的厚度，t為“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”的厚度。

d_sc1為側(cè)邊微帶線陣列左側(cè)與起始端微帶延長線的距離，d_sc2為側(cè)邊為電線陣列右側(cè)與結(jié)束端微帶延長線的距離，d_cc為側(cè)邊微帶線陣列周期。

d_pp為光子帶隙結(jié)構(gòu)陣列的周期，d_pd1為光子帶隙結(jié)構(gòu)陣列的左側(cè)與介質(zhì)基底起始端圓弧弧線中心點(diǎn)的距離，d_pd2為光子帶隙結(jié)構(gòu)陣列的右側(cè)與介質(zhì)基底結(jié)束端圓弧弧線中心點(diǎn)的距離。

h_v為角度對數(shù)微帶線所在的面的真空腔的高度，h_b為光子帶隙結(jié)構(gòu)陣列所在的面的真空腔的高度。

所述的“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”，形成過程如下：

對數(shù)螺旋的定義為：其中，a＝(9～17)mm為表征對數(shù)螺旋線線圈之間間隔的參數(shù)，在本專利中，一個(gè)周期包含兩端角度對數(shù)曲折線，因此，的取值為4π的整數(shù)倍，對于周期數(shù)為n的角度對數(shù)曲折線，所用的公式變?yōu)镽＝re^4anπ，圖10為在極坐標(biāo)系下，初始半徑為r，n＝2時(shí)的對數(shù)螺旋線圖形。本專利周期數(shù)取n＝25。

以坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)，經(jīng)過對數(shù)螺旋線的起始點(diǎn)的射線L_1，圍繞原點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度θ＝(3～7)°，得到射線L_2，刪除兩條射線夾角以外的對數(shù)螺旋線以及兩條射線，并將剩下的角度對數(shù)螺旋線依次首尾相連構(gòu)成角度對數(shù)曲折線(如圖11所示)。以長寬分別為微帶線線寬w＝(0.025～0.08)mm和微帶線厚度t＝(0.003～0.017)mm的矩形作為截面，以圖11所示的角度對數(shù)曲折線為引導(dǎo)線進(jìn)行掃掠，并對直角折彎處進(jìn)行倒角(倒角邊長c_sws＝1.6w×sin(π/4))，即可得到如圖1所示的“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”。

如圖3及圖4所示，介質(zhì)基底的厚度為t_d＝(0.1～0.3)mm，平面幾何尺寸由“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”的幾何尺寸確定，即在徑向(起始端和結(jié)束端)比“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”多出距離d_ud＝(0.4～0.8)mm，角向邊緣分別距離“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”邊緣d_lr＝(0.4～0.8)mm。介質(zhì)基底起始端的圓弧半徑為r_ds＝(28～30)mm，結(jié)束端的圓弧半徑為r_db＝(29～41)mm，介質(zhì)基底上表面有一個(gè)與“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”位置和形狀完全相同的臺階，介質(zhì)基底臺階的厚度為d_stg＝(0.01～0.03)mm。這樣，介質(zhì)基底的幾何形狀可以完全由“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”的幾何尺寸確定，并隨“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”的幾何尺寸的變化而變化。

側(cè)邊微帶線的圖形如圖2所示，其幾何形狀由圖中三個(gè)虛線的圓確定，具體如下：

頂端圓弧所在的圓與兩端圓弧所在的圓的半徑為rc＝(0.07～0.15)mm，分別繪制頂端圓到兩端圓的切線，以及兩端圓向下繪制切線(高度為dh1＝(0.15～0.25)mm)，分別連接兩個(gè)圓的切線，并刪除輪廓線以內(nèi)的線段和圓弧，即形成如圖2所示的側(cè)邊微帶線，其中，斜邊的夾角為θc＝(50～70)°。頂端圓圓心距離底端的高度為dh2，微帶線的寬度dc2＝2×rc，側(cè)邊微帶線的整體寬度dc1＝2×dc2+(dh2-dh1)×tan(θc/2)，這樣，調(diào)整θc的值，可以對側(cè)邊微帶線的寬度尺寸進(jìn)行調(diào)整。

側(cè)邊微帶線陣列如圖5所示，側(cè)邊微帶線的底邊與介質(zhì)基底齊平，側(cè)邊微帶線陣列距離“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”輸入延長線的距離為d_sc1＝(0.4～0.8)mm，一個(gè)周期的距離為d_cc＝(1.1～1.5)×dc1，距離輸出延長線的距離為d_sc2，該尺寸為自由尺寸，由陣列在輸入輸出引線之間的最大總長度決定，陣列側(cè)邊微帶線陣列在角向關(guān)于介質(zhì)基底角向中心線對稱。這樣，側(cè)邊微帶線陣列的位置關(guān)系完全確定。

圖6所示的光子帶隙結(jié)構(gòu)為正方形對稱幾何圖案，微帶線寬為p＝(0.15～0.25)mm，p1＝2×p2+p，其中，p2＝3×p。

圖7光子帶隙結(jié)構(gòu)陣列的仰視圖，光子帶隙結(jié)構(gòu)位于介質(zhì)基底的底面，其中心線與介質(zhì)基底角向中心線重合。光子帶隙結(jié)構(gòu)陣列與介質(zhì)基底起始端的距離為d_pd1＝(0.3～0.7)mm，余結(jié)束端的距離為d_pd2＝(0.3～0.7)mm，周期為d_pp＝(1.05～1.15)×p1。d_pd1、d_pd2與d_pp的值由“倒角的角度徑向?qū)?shù)微帶曲折線”決定，即陣列能夠與其投影基本重疊。

(圖8所示)一種光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)放置在金屬腔里，在起始端放置可以產(chǎn)生角度徑向電子注的陰極，并在光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)放置同軸的輸入輸出結(jié)構(gòu)，可以起到將角度徑向電子注功率傳遞給在角度徑向微帶慢波線上傳輸?shù)奈⒉?，進(jìn)而起到微波功率放大的作用。

(圖9為圖8的局部前視圖)從圖中可以看出來光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)在金屬腔中的相對位置，即角度對數(shù)微帶線所在的面的真空腔的高度為h_v＝(0.3～1.3)mm，光子帶隙結(jié)構(gòu)陣列所在的面的真空腔的高度，所述的真空腔為介質(zhì)基底表面與對應(yīng)的金屬腔端面之間的空隙。

圖16所示為光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的微帶慢波結(jié)構(gòu)徑向電場分布圖，圖17為無光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的微帶慢波結(jié)構(gòu)徑向電場分布圖。從圖16中可以看出，光子晶體帶隙加載的微帶慢波結(jié)構(gòu)徑向(行波位移矢量方向)電場在軸向(垂直行波位移矢量方向)的覆蓋范圍更大，可以更有效地覆蓋電子注運(yùn)動區(qū)域，進(jìn)而更有效地進(jìn)行注波互作用，提高輸出功率。同時(shí)，電場徑向分布的周期性更強(qiáng)，在同樣的微帶慢波結(jié)構(gòu)周期數(shù)情況下，電子注的調(diào)制作用在光子帶隙結(jié)構(gòu)加載的條件下更明顯，也能起到提高互作用效率的作用，即在同等的電壓、電流條件下，可以獲得更大的微波輸出功率圖中，左側(cè)中部白色矩形為理想陰極的截面。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。