專利名稱：一種矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波真空電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及行波管放大系統(tǒng)，尤其涉及行波管放大系統(tǒng)中 的波導(dǎo)慢波線。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代行波管已成為雷達(dá)、電子對抗、衛(wèi)星通信、導(dǎo)航、遙感等電子設(shè)備的重要微波電子 器件。慢波線作為行波管注-波互作用以激勵放大微波能量的部件，則是行波管的核心，其性 能直接決定著行波管的技術(shù)水平。在行波管中，使用最廣泛的慢波結(jié)構(gòu)為螺旋線和耦合腔。 螺旋線的色散特性平坦，工作頻帶寬，在行波管中得到了廣泛應(yīng)用；但螺旋線行波管的輸出 功率受到限制，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，其功率容量小。耦合腔的耦合阻抗高，互作用效率高，但這是以減小帶寬為代價的。 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)l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余屬管3連接，形成電子注通道。曲折波導(dǎo)慢波線沿縱向 對稱面的剖面圖如圖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(jī)械強(qiáng)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(diǎn)。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。
耦合阻抗作為表征電磁波與電子注相互作用強(qiáng)弱的參量，決定了行波管的增益和效率。 根據(jù)己有的國內(nèi)外相關(guān)實驗報道，雖然曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的帶寬較大，但該結(jié)構(gòu)的耦合阻抗 很小，使得單位長度的增益較低，從而限制了行波管整體的輸出功率和增益，同時也導(dǎo)致結(jié) 構(gòu)的長度過長，難以小型化。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決曲折波導(dǎo)慢波線低耦合阻抗對輸出功率和增益的限制，并改善其在通頻帶高頻區(qū)由于耦合阻抗不斷下降帶來的增益降低及帶寬限制問題，同時減小器件體積，本發(fā)明提出 了 一種矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線。
本發(fā)明的核心出發(fā)點(diǎn)是利用周期加載矩形槽，改善常規(guī)曲折波導(dǎo)慢波線中的場分布，提 高耦合阻抗，從而提高慢波線中每個單位長度的功率增益，以此提升總的輸出功率并降低功 率飽和時所需要的線路長度，達(dá)到高功率小型化的目的。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線，如圖3至圖5所示，由一系列圓弧彎曲波導(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)；每個圓弧彎曲波導(dǎo)(或直角彎曲波導(dǎo))的內(nèi)側(cè)沿波導(dǎo)寬 邊方向具有丌口，每個丌口處連接一個矩形槽4，使得矩形槽4處于兩段直波導(dǎo)的中間且與直 波導(dǎo)相互平行，而整個曲折波導(dǎo)和矩形槽的腔體互為連通；在曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中軸對稱線2 與直波導(dǎo)壁和矩形槽壁的交點(diǎn)處丌有圓形通孔；然后在所有相鄰直波導(dǎo)壁和矩形槽壁的兩個 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。
矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)如圖4和圖5所示a為矩形波導(dǎo)和矩形槽寬邊尺 寸，b為矩形波導(dǎo)窄邊尺寸，L為單個曲折周期結(jié)構(gòu)的曲折波導(dǎo)長度，p為單個曲折周期結(jié)構(gòu) 的軸向長度，ro為電子注通道的半徑，bc為矩形槽窄邊長度，ho為矩形槽高度。
設(shè)定結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm): a=5.1，b=0.5，L=3.24，p=1.3，r0=0.5, b0=0,2，h0=2.44。利
用三維電磁仿真軟件對矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線進(jìn)行仿真，獲得其耦合阻抗特性，并與普 通曲折波導(dǎo)相比較，結(jié)果如圖6所示。曲線5為普通曲折波導(dǎo)慢波線的耦合阻抗特性，曲線6 為矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線的耦合阻抗特性。
利用三維注-波互作用仿真軟件對矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線的輸出功率及帶寬、功率飽 和時所需的器件長度分別進(jìn)行仿真，并與普通曲折波導(dǎo)慢波線相比較。圖7為功率及帶寬的對 比結(jié)果，其中曲線7為普通曲折波導(dǎo)慢波線的輸出功率及帶寬性能，曲線8為本發(fā)明提供的矩 形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線的輸出功率及帶寬性能；圖8為普通曲折波導(dǎo)慢波線功率飽和時所需 器件長度的仿真結(jié)果；圖9為本發(fā)明提供的矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線功率飽和時所需器件長 度的仿真結(jié)果。
本發(fā)明的有益效果是
從圖6中曲線5與曲線6的比較可以明顯看出，矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線在整個工作頻帶內(nèi)耦合阻抗都高于同頻率下的普通曲折波導(dǎo)慢波線，并在高頻端高出幾倍，意味著它能更有 效的支持注-波互作用，從而大幅提高慢波線的輸出功率，并極大改善高頻端的輸出功率。
從圖7中曲線7與曲線8的比較可以清楚看到，矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線的輸出功率 (35GHz時390瓦)遠(yuǎn)高于普通曲折波導(dǎo)慢波線的輸出功率(35GHz時180瓦)，并且它在高頻 端的輸出功率不會下降，反而上升(36GHz時430瓦)。
從圖8和圖9的對比可以看出本發(fā)明提供的矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線功率飽和時所需的 器件長度(114.4mm)比普通曲折波導(dǎo)慢波線U74.2mm)要短很多，大幅減小了器件的體積。


圖l是普通曲折波導(dǎo)慢波線的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是普通曲折波導(dǎo)慢波線沿縱軸方向的剖面示意圖。
圖3是本發(fā)明提供的矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明提供的矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線沿平行于波導(dǎo)寬邊方向的中軸對稱面的 剖面示意圖。
圖5是本發(fā)明提供的矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線沿垂直于波導(dǎo)寬邊方向的中軸對稱面的 剖面示意圖。
圖6是本發(fā)明提供的矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線與普通曲折波導(dǎo)慢波線的耦合阻抗特性 對比圖。
圖7是本發(fā)明提供的矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線與普通曲折波導(dǎo)慢波線的功率及帶寬性 能對比圖。
圖8是普通曲折波導(dǎo)慢波線功率飽和時所需器件長度的仿真結(jié)果。
圖9是本發(fā)明提供的矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線功率飽和時所需器件長度的仿真結(jié)果。
在以上各圖中l(wèi)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是矩形槽，曲線5是普通曲折波導(dǎo)慢波線的耦合阻抗特性，曲線6是本發(fā)明提供的矩形槽加載 曲折波導(dǎo)慢波線的耦合阻抗特性，曲線7是普通曲折波導(dǎo)慢波線的功率及帶寬特性，曲線8是 本發(fā)明提供的矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線的功率及帶寬特性。
具體實施方案如圖5，在8mm毫米波段，矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線具體實施方案的結(jié)構(gòu)尺寸為(單 位mm): a-5.1，b-0.5,L-3.24,p-1.3，ro二0.5，bo二0.2,h(p2.44。利用三維電磁仿真軟件和三 維注-波互作用仿真軟件對矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線進(jìn)行仿真，獲得其耦合阻抗、輸出功率、 帶寬、功率飽和時所需的器件長度等性能，并與普通曲折波導(dǎo)慢波線相比較。矩形槽加載曲 折波導(dǎo)慢波線有著更高的耦合阻抗，能以更小的體積輸出高于普通曲折波導(dǎo)慢波線2倍以上 的功率，并且在工作頻帶高端它的功率還會繼續(xù)升高，改善了普通曲折波導(dǎo)慢波線工作頻帶 高端增益下降的問題。
權(quán)利要求
1、一種矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線，由一系列圓弧彎曲波導(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)；每個圓弧彎曲波導(dǎo)的內(nèi)側(cè)沿波導(dǎo)寬邊方向具有開口，每個開口處連接一個矩形槽(4)，使得矩形槽(4)處于兩段直波導(dǎo)的中間且與直波導(dǎo)相互平行，而整個曲折波導(dǎo)和矩形槽的腔體互為連通；在曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中軸對稱線(2)與直波導(dǎo)壁和矩形槽壁的交點(diǎn)處開有圓形通孔；然后在所有相鄰直波導(dǎo)壁和矩形槽壁的兩個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。
2、 一種矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線，由一系列直角彎曲波導(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)；每個直角彎 曲波導(dǎo)的內(nèi)側(cè)沿波導(dǎo)寬邊方向具有開口，每個開口處連接一個矩形槽(4)，使得矩形槽(4) 處于兩段直波導(dǎo)的中間且與直波導(dǎo)相互平行，而整個曲折波導(dǎo)和矩形槽的腔體互為連通；在 曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中軸對稱線(2)與直波導(dǎo)壁和矩形槽壁的交點(diǎn)處開有圓形通孔；然后在所有 相鄰直波導(dǎo)壁和矩形槽壁的兩個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。
全文摘要
一種矩形槽加載曲折波導(dǎo)慢波線，涉及微波真空電子技術(shù)領(lǐng)域中的行波管放大器件。由一系列圓弧(或直角)彎曲波導(dǎo)和直波導(dǎo)首尾連接而成曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在每個彎曲波導(dǎo)內(nèi)側(cè)沿波導(dǎo)寬邊方向具有開口，每個開口處連接一個矩形槽，整個曲折波導(dǎo)和矩形槽的腔體互為連通；在曲折波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中軸對稱線與直波導(dǎo)壁和矩形槽壁的交點(diǎn)處開有圓形通孔；然后在所有相鄰直波導(dǎo)壁和矩形槽壁的兩個通孔之間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。本發(fā)明利用周期加載的矩形槽以改善常規(guī)曲折波導(dǎo)慢波線中的場分布，與普通曲折波導(dǎo)慢波線相比具有更高的耦合阻抗，故具有更高功率增益和輸出功率；同時具有更小的體積。
文檔編號H01J23/24GK101615553SQ200910060070
公開日2009年12月30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)明者宮玉彬, 廖明亮, 王文祥, 魏彥玉 申請人:電子科技大學(xué)