本發(fā)明屬于徑向束行波管慢波系統(tǒng)領(lǐng)域，具體為一種用于徑向束行波管的注波互作用系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電真空微波功率器件中的行波管，具有工作頻帶寬、輸出功率大、互作用效率高及壽命長等特點(diǎn)，在電子對抗、軍民通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其性能決定整機(jī)裝備的整體水平。

基于微帶線的角度對數(shù)慢波結(jié)構(gòu)的徑向束行波管具有工作電壓低、工作頻帶寬、體積小等特點(diǎn)。角度對數(shù)微帶慢波結(jié)構(gòu)使用的板上微帶線的厚度在(0.004～0.018)mm的范圍內(nèi)。

專利號為201611144229.8的專利公開了“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。此文件中的微帶慢波線也就是本發(fā)明所說的對數(shù)平面曲折慢波線。此公開文件還公開了：微帶慢波結(jié)構(gòu)設(shè)置在介質(zhì)基底一側(cè)，且所述的介質(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。但是上述方案有存在這嚴(yán)重的加工困難的問題，具體為：第一，在對石英介質(zhì)板加工的時(shí)候，要加工“與微帶慢波結(jié)構(gòu)重合的位置的一定高度的凸起”非常困難；第二，角度徑向?qū)?shù)曲折線的材質(zhì)為金屬，在進(jìn)行整管裝配的過程中存在,不能使用機(jī)械夾持的方法裝配,微帶線結(jié)構(gòu)慢波系統(tǒng)的石英介質(zhì)基板在進(jìn)行整片焊接時(shí)，由于焊料流散的均勻性、石英與金屬之間的膨脹系數(shù)差異等原因，易造成石英介質(zhì)基板的斷裂，造成慢波系統(tǒng)的失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：現(xiàn)有的角度徑向?qū)?shù)曲折線微帶慢波結(jié)構(gòu)存在著加工困難的問題，具體為：具體為：第一，在對石英介質(zhì)板加工的時(shí)候，要加工“與微帶慢波結(jié)構(gòu)重合的位置的一定高度的凸起”非常困難；第二，角度徑向?qū)?shù)曲折線的材質(zhì)為金屬，在進(jìn)行整管裝配的過程中存在,不能使用機(jī)械夾持的方法裝配,微帶線結(jié)構(gòu)慢波系統(tǒng)的石英介質(zhì)基板在進(jìn)行整片焊接時(shí)，由于焊料流散的均勻性、石英與金屬之間的膨脹系數(shù)差異等原因，易造成石英介質(zhì)基板的斷裂，造成慢波系統(tǒng)的失效。為了解決這個(gè)問題，本發(fā)明提供一種角向夾持的雙徑向電子束角度對數(shù)平面曲折慢波線慢波結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的方案如下：

一種角向夾持的雙徑向電子束角度對數(shù)平面曲折慢波線慢波結(jié)構(gòu)，包括金屬腔體，以及位于金屬腔體內(nèi)部的角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線、上理想陰極、下理想陰極、介質(zhì)支撐桿一、介質(zhì)支撐桿二。

所述金屬腔體上設(shè)有輸入端口和輸出端口，輸入端口和輸出端口均與金屬腔體內(nèi)部連通。

所述角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線為截取角度θ后對數(shù)螺旋線的通過首尾依次連接構(gòu)成的平面曲折慢波線，且相鄰兩條對數(shù)螺旋線在直角連接處有倒角；所述角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的兩端分別延長，延長段作為輸入內(nèi)導(dǎo)體和輸出內(nèi)導(dǎo)體。

所述上理想陰極和下理想陰極對稱置于角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的軸向兩側(cè)，上理想陰極和下理想陰極用于提供覆蓋整個(gè)角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的扇形徑向電子束。

所述介質(zhì)支撐桿一位于角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線輸入輸出端的一側(cè)，所述介質(zhì)支撐桿二位于角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線輸入輸出端的另一側(cè)，局部金屬化的介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二的一側(cè)與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線連接、另一側(cè)與金屬腔體的內(nèi)壁連接，從而實(shí)現(xiàn)對角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的支撐。

具體地，所述角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的每一條對數(shù)螺旋線的截面為矩形，矩形截面的尺寸為厚度t＝0.05～0.2mm，寬度w＝0.05～0.1mm；所述倒角的尺寸為1.6×w×sin(π/4)×45°。

具體地，所述的局部金屬化的介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二的具體結(jié)構(gòu)為：與金屬腔體的內(nèi)壁接觸的一側(cè)進(jìn)行金屬化，與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線接觸的部分進(jìn)行金屬化，其他不接觸的部分不進(jìn)行金屬化。介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二有效支撐角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線，保持其在真空腔中的相對位置，支撐桿一和支撐桿二需要進(jìn)行局部金屬化；并且，局部金屬化后的支撐桿還可以起到角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線與金屬腔體的絕緣作用，同時(shí)確保角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線直角折彎之間的絕緣。

具體地，介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二的局部金屬化的具體結(jié)構(gòu)為：與金屬腔體的內(nèi)壁接觸的一側(cè)進(jìn)行金屬化，與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線接觸的部分進(jìn)行金屬化，其他不接觸的部分不進(jìn)行金屬化。

優(yōu)選地，所述金屬腔體為長方體形，所述輸入端口和輸出端口分別位于金屬腔體的正面的左右兩端，輸入內(nèi)導(dǎo)體的幾何中心與輸入端口的幾何中心重合，輸出內(nèi)導(dǎo)體的幾何中心與輸出端口的幾何中心重合。

具體地，所述所述輸入端口和輸出端口均為邊長l_port＝0.5～1.5mm正方形。

具體地，所述上理想陰極2和所述下理想陰極3對稱置于角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的軸向兩側(cè)。

具體地，所述扇形徑向電子束與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線之間的間距為0.02～0.2mm，扇形徑向電子束的厚度t_cathode＝0.2mm，扇形徑向電子束的角度為θ。

具體地，介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)金屬桿二的厚度t均與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的厚度相同，寬度w_bar＝0.1～1mm，介質(zhì)支撐桿一的長度l_bar1＝l-(0.1～0.3)mm，介質(zhì)支撐桿二的長度l_bar2＝l-2w。

優(yōu)選地，介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線連接方式為焊接，與金屬腔體的內(nèi)壁連接的方式也為焊接。

優(yōu)選地，介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二的材料均為氧化鈹或氮化硼陶瓷。

本發(fā)明的原理如下：

一定頻率的電磁波通過輸入端口饋入由角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線、支撐桿一和支撐桿二構(gòu)成的慢波系統(tǒng)，并沿角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線傳播。在傳播過程中，電磁波的徑向分量電場與具有一定直流功率的扇形徑向電子束進(jìn)行持續(xù)的能量交換，使扇形徑向電子束的直流功率傳遞給沿角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線傳輸?shù)碾姶艌?，使其得到放大，放大后的電磁波通過輸出端口饋入到負(fù)載(或天線)等微波器件。

角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的金屬線厚度為(0.05～0.2)mm的高熔點(diǎn)金屬，如金屬鉬，在工作過程中，部分散焦電子束轟擊角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線時(shí)不易熔斷，可有效提高工作穩(wěn)定性。

本發(fā)明采用雙扇形徑向電子束，工作電流和電壓均相同，當(dāng)工作電壓為1400v，束電流為0.15a，輸入功率為1w時(shí)，35ghz輸出功率為67.5w，電子效率為16.07％，當(dāng)工作電壓為2600v，束電流為0.15a輸入功率為1w時(shí)，26ghz的輸出功率為79w，對應(yīng)的電子效率為10.13％，說明，本結(jié)構(gòu)具有多模工作的潛力，即使用不同的工作電壓，可實(shí)現(xiàn)對不同頻率范圍內(nèi)的微波進(jìn)行放大，且具有較高的電子效率。

采用上述方案后，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)采用了介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二來支撐角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線，金屬平面曲折慢波線的底部不需要與金屬腔體的內(nèi)壁底部接觸，金屬腔體內(nèi)壁的底部也不需要與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線相應(yīng)的凸起，只需要將介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二與金屬平面曲折慢波線的側(cè)面連接，再加上介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二的底面與金屬腔體的內(nèi)壁底部接觸，采用這種方式將角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線固定在金屬腔體內(nèi)，并且，本發(fā)明的平面曲折慢波線是采用的金屬材料，介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二與金屬平面曲折慢波線、金屬腔體連接的部分都是采用的金屬材料，這些都大大減小了加工難度。

(2)省去了介質(zhì)基板；對于專利號為201611144229.8的專利，在工作過程中，散焦電子束不僅會轟擊在微帶線的表面，也會轟擊在介質(zhì)基板的表面，由于介質(zhì)基板屬于絕緣材料，電子會在轟擊區(qū)域積累形成靜電場，該靜電場會進(jìn)一步影響徑向電子束的運(yùn)行狀態(tài)，破壞在微帶慢波線表面的電子束形態(tài)，影響互作用效果。當(dāng)電荷積累到一定程度時(shí)，會造成局部放電，可能破壞其周圍的微帶線，造成慢波系統(tǒng)的失效。本發(fā)明中，扇形徑向電子束的運(yùn)行范圍內(nèi)不含有介質(zhì)材料，有效地避免了上述缺陷。

(3)由于金屬平面曲折慢波線的底部沒有與金屬腔體內(nèi)壁底部接觸，將理想陰極分為上下兩個(gè)，可以發(fā)出雙扇形徑向電子束，將充分利用平面型角度對數(shù)金屬曲折線上下兩面的表面徑向場分量，從而獲得更明顯的注波互作用效果，得到較高的電子效率。

(4)專利號為201611144229.8的專利中的微帶線的厚度為0.004～0.018mm，材料為金(或銅)，金和銅的熔點(diǎn)分別為1064.18℃和1083℃。而本發(fā)明中，角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的厚度為0.05～0.2mm，材料為鉬，熔點(diǎn)為2620℃，將極大地提升慢波線的抗電子束轟擊能力，保證器件在工作過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

(5)對于介質(zhì)支撐桿一和介質(zhì)支撐桿二采用局部金屬化結(jié)構(gòu)，與金屬腔體的內(nèi)壁接觸的一側(cè)進(jìn)行金屬化，與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線接觸的部分進(jìn)行金屬化，其他不接觸的部分不進(jìn)行金屬化，局部金屬化后的支撐桿還可以起到角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線與金屬腔體的絕緣作用，同時(shí)確保角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線直角折彎之間的絕緣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的互作用腔體的局部剖切示意圖；

圖2為本發(fā)明的前視圖；

圖3角度對數(shù)曲折線的單周期構(gòu)成示意圖

圖4角度對數(shù)平面曲折慢波線俯視圖

圖5為介質(zhì)支撐桿的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為介質(zhì)支撐桿加載的角度對數(shù)金屬曲折線慢波結(jié)構(gòu)俯視圖；

圖7為實(shí)施例的檢測結(jié)果示意圖一；

圖8為實(shí)施例的檢測結(jié)果示意圖一；

圖中標(biāo)記：1-金屬腔體，11-輸入端口，12-輸出端口，2-上理想陰極，3-下理想陰極，4-介質(zhì)支撐桿一，5-介質(zhì)支撐桿二，6-角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線，7-輸入內(nèi)導(dǎo)體，8-輸出內(nèi)導(dǎo)體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的方案進(jìn)行進(jìn)一步地詳細(xì)說明。

如圖1所示，一種角向夾持的雙徑向電子束角度對數(shù)平面曲折慢波線慢波結(jié)構(gòu)，包括金屬腔體1，以及位于金屬腔體1內(nèi)部的角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6、上理想陰極2、下理想陰極3、介質(zhì)支撐桿一4、介質(zhì)支撐桿二5。

如圖2所示，金屬腔體1上設(shè)有輸入端口11和輸出端口12，輸入端口11和輸出端口12均與金屬腔體1內(nèi)部連通；所述金屬腔體1為長方體形，所述輸入端口11和輸出端口12分別位于金屬腔體1的正面的左右兩端，輸入端口11和輸出端口12均為邊長l_port＝0.5～1.5mm正方形。輸入內(nèi)導(dǎo)體7的幾何中心與輸入端口11的幾何中心重合，輸出內(nèi)導(dǎo)體8的幾何中心與輸出端口12的幾何中心重合。

金屬腔體之所以材料為金屬，是因?yàn)樵谡麄€(gè)結(jié)構(gòu)裝配時(shí)，腔體在整管裝配的時(shí)候構(gòu)成真空隔離的殼體，真空管在裝配過程中需要進(jìn)行高溫焊接，比如(780～820)℃的氫焊，550℃的排氣工序，必須使用金屬材料，一般采用鎳銅合金、彌散無氧銅等；并且，電磁波在角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線上傳輸，金屬腔體的內(nèi)壁構(gòu)成電壁，對信號起到屏蔽(或約束)的作用。

如圖3和圖4所示，角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6為截取角度θ后對數(shù)螺旋線的通過首尾依次連接構(gòu)成的平面曲折慢波線，且相鄰兩條對數(shù)螺旋線在直角連接處有倒角；所述角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6的兩端分別延長，延長段作為輸入內(nèi)導(dǎo)體7和輸出內(nèi)導(dǎo)體8，延長段的長度l_port＝0.5～3mm。下面，將對角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6的形成過程以及參數(shù)作具體說明。

對數(shù)螺旋的定義為：其中，b＝(14～18)mm為表征對數(shù)螺旋線起始半徑的參數(shù)，p＝(0.0012～0.0022)為表征對數(shù)螺旋線線圈之間間隔大小的參數(shù)。在本實(shí)施例中，角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線的掃掠角度為θ，因此，首段角度對數(shù)螺旋線的定義為：其中首段。如圖3所示，第2段角度對數(shù)螺旋線的定義為：其中，的取值與第一段角度對數(shù)螺旋線相同，為：圖3中，首段和第2段角度對數(shù)螺旋線的端點(diǎn)分別是①、②和③、④，點(diǎn)⑤為3段角度對數(shù)螺旋線的起點(diǎn)，公式為：r3＝be^4πp。使用線段依次首尾連接以上5個(gè)點(diǎn)構(gòu)成角度對數(shù)螺旋線的一個(gè)周期。第3段至第n段角度對數(shù)螺旋線的建立依次類推，通用公式為：其中使用同樣的連接方式，構(gòu)成角度對數(shù)平面曲折慢波線，如圖4所示。本實(shí)施例中，n＝50。

如圖4所示，角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6的每一條對數(shù)螺旋線的截面為矩形，矩形截面的尺寸為厚度t＝0.05～0.2mm，寬度w＝0.05～0.1mm；所述倒角的尺寸為1.6×w×sin(π/4)×45°。矩形截面沿角度對數(shù)平面曲折慢波線掃掠，使用高熔點(diǎn)金屬材料，構(gòu)成角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6。角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6的總長度：l＝w+b(e^2nπp-1)。

如圖2和圖5所示，上理想陰極2和下理想陰極3對稱置于角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6的軸向兩側(cè)，上理想陰極2和下理想陰極3用于提供覆蓋整個(gè)角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6的扇形徑向電子束；本實(shí)施例中，上理想陰極2和下理想陰極3在靠近輸入輸出端的一側(cè)。徑向電子束應(yīng)覆蓋互作用區(qū)域，從小半徑往大半徑，為發(fā)散型電子束；從大半徑往小半徑，為收斂型電子束。如果放置在輸出內(nèi)導(dǎo)體一側(cè)，理論上應(yīng)獲得與放置在輸入內(nèi)導(dǎo)體一側(cè)相同的效果。只是，習(xí)慣上，成為電子束運(yùn)動方向的起始端為輸入端，如果理想陰極放在大半徑一側(cè)，原輸出內(nèi)導(dǎo)體就變成了輸入內(nèi)導(dǎo)體。扇形徑向電子束與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線1之間的間距為0.02～0.2mm，扇形徑向電子束的厚度t_cathode＝0.2mm，扇形徑向電子束的角度為θ。

如圖6所示，介質(zhì)支撐桿一4和介質(zhì)支撐桿二5的材料均為氧化鈹或氮化硼陶瓷。介質(zhì)支撐桿一4位于角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6輸入輸出端的一側(cè)，所述介質(zhì)支撐桿二5位于角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6輸入輸出端的另一側(cè)，局部金屬化的介質(zhì)支撐桿一4和介質(zhì)支撐桿二5的一側(cè)與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6焊接、另一側(cè)與金屬腔體1的內(nèi)壁焊接，從而實(shí)現(xiàn)對角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6的支撐。介質(zhì)支撐桿一4和介質(zhì)金屬桿二5的厚度t均與角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線6的厚度相同，寬度w_bar＝0.1～1mm，介質(zhì)支撐桿一4的長度l_bar1＝l-0.1～0.3mm，介質(zhì)支撐桿二5的長度l_bar2＝l-2w。介質(zhì)支撐桿用于支撐角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線，同時(shí)起到使角度對數(shù)金屬平面曲折慢波線與互作用腔之間隔離的作用。

采用本具體實(shí)施例中制備出來的角向夾持的雙徑向電子束角度對數(shù)平面曲折慢波線慢波結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)后得到的具體參數(shù)如下：

當(dāng)工作電壓為1400v，輸入功率為1w時(shí)，35ghz的輸出功率見圖7，經(jīng)換算，輸出功率為67.5w，增益為10lg(135/1)＝18.3db。電子效率為：輸出功率/電子束直流功率＝67.5/(1400*0.15*2)*100％＝16.07％.

當(dāng)工作電壓為2600v，輸入功率為1w時(shí)，26ghz的輸出功率見圖8，經(jīng)換算，輸出功率為79w，增益為10lg(157.9/1)＝18.9db。電子效率為：輸出功率/電子束直流功率＝79/(2600*0.15*2)*100％＝10.13％。