一種梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種梯形線結(jié)構(gòu)慢波線，在矩形波導(dǎo)內(nèi)周期性地交錯(cuò)排列矩形金屬板，在矩形波導(dǎo)上下內(nèi)壁相鄰處開矩形槽作為電磁波耦合槽，以便電磁波能夠通過，在電磁波耦合槽下方緊貼矩形金屬板處兩側(cè)分別加有一塊矩形金屬脊，在加有矩形金屬脊的矩形金屬板中心開一個(gè)矩形孔作為電子注通道提供電子束必須的通道。本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線為脊加載矩形波導(dǎo)，相對(duì)于相同尺寸的矩形波導(dǎo)，其TE10模的截止波長更長，適用于更低的頻率，有更寬的工作頻帶，同時(shí)，由于矩形金屬脊的存在，使得在電子注通道處的縱向電場得到增強(qiáng)，從而可以得到更高的耦合阻抗，使行波管具有更高的增益和效率。
【專利說明】一種梯形線結(jié)構(gòu)慢波線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波真空電子器件【技術(shù)領(lǐng)域】，更為具體地講，涉及行波管中的一種梯形線結(jié)構(gòu)慢波線。
【背景技術(shù)】
[0002]行波管作為微波頻段應(yīng)用最為廣泛的電真空器件，在毫米波雷達(dá)、制導(dǎo)、通信、微波遙感、輻射測量等眾多領(lǐng)域具有突出的應(yīng)用地位。由于其無可替代的寬頻帶特點(diǎn)，現(xiàn)代行波管已成為各領(lǐng)域裝備中最重要的一種微波管。
[0003]一支典型的行波管由電子槍、聚焦系統(tǒng)、慢波線(慢波結(jié)構(gòu))、輸入輸出裝置和收集極五部分組成。作為行波管的核心部件，慢波線的任務(wù)是傳輸高頻電磁行波并使電磁波的相速降到同步速度，以實(shí)現(xiàn)電磁波對(duì)電子注的調(diào)制，從而使電子注交出直流能量放大高頻場。因此，慢波線作為行波管注波互作用激勵(lì)微波能量的核心部件，其性能直接決定了行波管的工作帶寬、輸出功率和效率等，決定著行波管的技術(shù)水平。
[0004]在行波管中，使用最廣泛的慢波結(jié)構(gòu)為耦合腔和螺旋線。
[0005]螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的色散特性平坦，工作頻帶寬，在低頻段的行波管中得到了廣泛的應(yīng)用；但由于散熱困難等因素，螺旋線行波管的輸出功率受到限制；特別是當(dāng)行波管工作在厘米和毫米波段時(shí)，由于螺旋線橫向尺寸極小，散熱困難，并且電子注通道的尺寸變得很小，嚴(yán)重制約了它的功率容量。
[0006]傳統(tǒng)的稱合腔慢波結(jié)構(gòu)包括休斯結(jié)構(gòu)、三葉草結(jié)構(gòu)、Chodoro-Ndos結(jié)構(gòu)等。相較于螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，耦合腔慢波結(jié)構(gòu)采用多個(gè)腔體作為慢波結(jié)構(gòu)，因此具有更大的耦合阻抗，因而互作用效率較高；通過選擇合適的腔體尺寸和腔體耦合技術(shù)，可以提高電子注的速度，因而可以實(shí)現(xiàn)高的峰值功率；另外，由于耦合腔慢波結(jié)構(gòu)基本上屬于由銅和鐵組成的全金屬結(jié)構(gòu)，機(jī)械強(qiáng)度高、熱阻小，可以給出較高的平均功率，但是耦合腔慢波結(jié)構(gòu)的帶寬較窄。此外，在毫米波波段，耦合腔慢波結(jié)構(gòu)的尺寸很小，按照傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的耦合腔慢波結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)面臨的重要問題:對(duì)零件的加工誤差要求非常苛刻、裝配精度要求高，成品率低，成本高。
[0007]梯形線結(jié)構(gòu)慢波線是一種結(jié)構(gòu)簡單、易加工簡單的耦合腔結(jié)構(gòu)。它是通過銅板上開槽，形成“梯”形或“梳”形結(jié)構(gòu)的方式制造的，利用在梳齒頂端切割半圓槽的方式形成電子束通道，然后將兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的零件焊接在一起，在梯形線組件的兩面焊上蓋板就構(gòu)成了整個(gè)高頻電路。
[0008]根據(jù)貫通耦合通道位置的不同，梯形線結(jié)構(gòu)慢波線可以分為三種:具有雙貫通耦合通道的梯形結(jié)構(gòu)、具有交錯(cuò)耦合通道的梯形結(jié)構(gòu)和具有雙交錯(cuò)通道的梯形結(jié)構(gòu)。其中雙貫通耦合通道的梯形結(jié)構(gòu)具有最大的功率，而雙交錯(cuò)梯形線具有最寬的工作頻帶，單交錯(cuò)梯形線的性能較為均衡。
[0009]梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的矩形金屬板與矩形波導(dǎo)的接觸面積大，散熱能力很強(qiáng)，因此梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的功率容量大，即有能力承受高輸出功率的工作狀態(tài)，這是其第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)電磁波在梯形線結(jié)構(gòu)慢波線中傳輸單位長度時(shí)相位的改變量(相移)增大，頻率反而減少(負(fù)色散狀態(tài))時(shí)，行波管的工作電壓低；而改變梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的耦合槽尺寸，可以改變電磁波的相移隨頻率的變化趨勢，因此，梯形線結(jié)構(gòu)慢波線具有工作電壓低的優(yōu)點(diǎn)，這是其第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
[0010]盡管梯形線結(jié)構(gòu)慢波線具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的單腔增益比較低，因此功率放大能力和增益比較小，在應(yīng)用于行波管時(shí)需要的長度較長。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0011]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種梯形線結(jié)構(gòu)慢波線，在同等尺寸下提高梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的工作頻帶，并進(jìn)一步提高其耦合阻抗，從而使行波管具有更高的增益和效率。
[0012]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線，包括:
[0013]一段直的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的橫截面尺寸由工作頻率決定；
[0014]其特征在于，還包括:
[0015]多片矩形金屬板，每一片矩形金屬板的兩側(cè)，在豎直方向中心位置加有矩形金屬脊；
[0016]每片加有矩形金屬脊的矩形金屬板中心位置開矩形孔，作為電子注通道，每片加有矩形金屬脊的矩形金屬板的一端開有矩形槽，作為電磁波耦合槽；
[0017]加有矩形金屬脊的矩形金屬板加載在矩形波導(dǎo)內(nèi)，并按固定周期交錯(cuò)排列，構(gòu)成了脊加載梯形線結(jié)構(gòu)慢波線；
[0018]其中，所述交錯(cuò)為加有矩形金屬脊的矩形金屬板的矩形槽交替位于矩形波導(dǎo)上下內(nèi)壁，所述矩形金屬脊的寬邊長度小于矩形槽寬度并且大于二分之一矩形槽寬度，矩形金屬脊的窄邊長度等于矩形金屬板高度減去矩形槽高度。
[0019]本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0020]本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線，在矩形波導(dǎo)內(nèi)周期性地交錯(cuò)排列矩形金屬板，在矩形波導(dǎo)上下內(nèi)壁相鄰處開矩形槽作為電磁波耦合槽，以便電磁波能夠通過，在電磁波耦合槽下方緊貼矩形金屬板處兩側(cè)分別加有一塊矩形金屬脊，在加有矩形金屬脊的矩形金屬板中心開一個(gè)矩形孔作為電子注通道提供電子束必須的通道。正常工作時(shí)，適當(dāng)?shù)剡x擇矩形金屬板中心矩形電子注通道的尺寸，就可以使電子束能夠通過，而電磁波不能通過，即電磁波只能通過矩形槽傳輸。
[0021]本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線為脊加載矩形波導(dǎo)，相對(duì)于相同尺寸的矩形波導(dǎo)，其TElO模的截止波長更長，適用于更低的頻率，有更寬的工作頻帶，因此本發(fā)明的脊加載梯形線結(jié)構(gòu)慢波線具有更寬的工作頻帶；同時(shí)，由于矩形金屬脊的存在，使得在電子注通道處的縱向電場得到增強(qiáng)，從而可以得到更高的耦合阻抗，從而具有更高的互作用效率，使行波管具有更高的增益和效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是現(xiàn)有技術(shù)梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線一種【具體實(shí)施方式】結(jié)構(gòu)示意圖；[0024]圖3是圖2所示梯形線結(jié)構(gòu)慢波線中矩形金屬板以及矩形金屬脊的尺寸標(biāo)注圖；
[0025]圖4是本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線與現(xiàn)有的梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的色散特性對(duì)比圖；
[0026]圖5是本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線與現(xiàn)有的梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的耦合阻抗特性對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。
[0028]圖1是現(xiàn)有技術(shù)梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]如圖1所示，梯形線結(jié)構(gòu)慢波線由一系列的加載在矩形波導(dǎo)中的矩形金屬板3排列連接而成，每片一端開有矩形槽即耦合槽1，矩形槽交替位于矩形波導(dǎo)上下內(nèi)壁即矩形金屬板3按固定周期交錯(cuò)排列，兩片矩形金屬板3之間構(gòu)成耦合腔2，矩形金屬板3中心位置開矩形孔作為電子注通道4。電子束沿著電子注通道4傳輸，電磁波沿著耦合槽1、耦合腔2傳輸并在耦合腔2中獲得電子束能量，得以放大。
[0030]圖2是本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線一種【具體實(shí)施方式】結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]在本實(shí)施例中，如圖2所示，本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線包括一段直的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的橫截面尺寸由工作頻率決定。此外，還包括多片矩形金屬板3，每一片矩形金屬板3的兩側(cè)，在豎直方向中心位置加有矩形金屬脊5 ；
[0032]每片加有矩形金屬脊的矩形金屬板3中心位置開矩形孔作為電子注通道4，每片加有矩形金屬脊的矩形金屬板的一端開有矩形槽作為電磁波耦合槽I ;
[0033]加有矩形金屬脊的矩形金屬板3加載在矩形波導(dǎo)內(nèi)，并按固定周期交錯(cuò)排列，構(gòu)成了脊加載梯形線結(jié)構(gòu)慢波線；
[0034]其中，所述交錯(cuò)為加有矩形金屬脊的矩形金屬板3的矩形槽即電磁波耦合槽I交替位于矩形波導(dǎo)上下內(nèi)壁，所述矩形金屬脊的寬邊長度5小于矩形槽I寬度并且大于二分之一矩形槽寬度，矩形金屬脊5的窄邊長度等于矩形金屬板3高度減去矩形槽I高度。兩片矩形金屬板3之間構(gòu)成耦合腔2。矩形金屬板3放置方向上相差180°，這樣就形成了交錯(cuò)的矩形電磁波通道。
[0035]當(dāng)然在具體實(shí)施過程中，也可以采用通過銅板上開槽，形成帶脊的“梯”形或“梳”形結(jié)構(gòu)的方式制造。
[0036]圖3標(biāo)注出了矩形金屬板以及矩形金屬脊的各個(gè)尺寸參數(shù)，其中a為矩形金屬板的高度，也即矩形波導(dǎo)的通道高度；b為矩形金屬板的寬度，也即矩形波導(dǎo)的通道寬度；w為矩形金屬脊的寬邊長度，s為矩形金屬脊的窄邊長度，t為矩形金屬脊的厚度；1為矩形槽的寬度，d為矩形槽的高度；m為電子注通道的高度，n為電子注通道寬度；c為矩形金屬板的厚度，P為兩個(gè)相鄰矩形金屬板的間距，P_c-2t為兩個(gè)相鄰矩形金屬板之間空間的距離即間隙厚度，相關(guān)的尺寸滿足:l/2〈w〈l, s=a-d, t〈c/4.[0037]在Ka波段，本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線具體方案的結(jié)構(gòu)尺寸如下(單位:mm):a=3.7，b=6，c=0.9，1=4.9，d=0.48，p=l.8，m=0.2，n=2，w=4.5，t=0.1。
[0038]利用三維電磁仿真軟件對(duì)本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線進(jìn)行仿真模擬，獲得其色散特性和耦合阻抗特性，并與現(xiàn)有技術(shù)梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的色散特性及耦合阻抗特性進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，其中圖4中曲線I是本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的色散特性，曲線2是現(xiàn)有技術(shù)梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的色散特性；圖5中曲線3是本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的耦合阻抗，曲線4是現(xiàn)有技術(shù)梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的耦合阻抗特性。
[0039]從圖4中曲線I與曲線2的比較可以明顯的看出:本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線比現(xiàn)有技術(shù)梯形線結(jié)構(gòu)慢波線具有更低的截止頻率，更寬的通帶范圍，色散曲線更為平坦，能在更寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)注-波互作用同步條件。換一個(gè)角度來看，如果要求相同的截止頻率，則脊加載梯形線結(jié)構(gòu)慢波線的截面尺寸更小。這就使得周期永磁聚焦系統(tǒng)的磁場區(qū)半徑相應(yīng)減小，從而有利于提高軸線上的縱向磁場強(qiáng)度，可以更有效的利用磁場資源，那么，在電子注電流相同的情況下，可以更好的保證電子注在通道中的流通。
[0040]從圖5中曲線3與曲線4的比較可以明顯的看出:本發(fā)明梯形線結(jié)構(gòu)慢波線比現(xiàn)有技術(shù)梯形線結(jié)構(gòu)慢波線具有更大的耦合阻抗，意味著在進(jìn)行注波互作用時(shí)，電子注能把更多的能量交給高頻電磁場，得到更大的功率輸出和增益。
[0041]盡管上面對(duì)本發(fā)明說明性的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，以便于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實(shí)施方式】的范圍，對(duì)本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
【權(quán)利要求】
1.一種梯形線結(jié)構(gòu)慢波線，包括: 一段直的矩形波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)的橫截面尺寸由工作頻率決定； 其特征在于，還包括: 多片矩形金屬板，每一片矩形金屬板的兩側(cè)，在豎直方向中心位置加有矩形金屬脊；每片加有矩形金屬脊的矩形金屬板中心位置矩形孔，作為電子注通道，每片加有矩形金屬脊的矩形金屬板的一端開有矩形槽，作為電磁波耦合槽； 加有矩形金屬脊的矩形金屬板加載在矩形波導(dǎo)內(nèi)，并按固定周期交錯(cuò)排列，構(gòu)成了脊加載梯形線結(jié)構(gòu)慢波線； 其中，所述交錯(cuò)為加有矩形金屬脊的矩形金屬板的矩形槽交替位于矩形波導(dǎo)上下內(nèi)壁，所述矩形金屬脊的寬邊長度小于矩形槽寬度并且大于二分之一矩形槽寬度，矩形金屬脊的窄邊長度等于矩形金屬板高度減去矩形槽高度。
2.權(quán)利要求1所述的脊加載梯形線結(jié)構(gòu)慢波線，其特征在于，所述的矩形金屬脊的厚度t〈c/4,其中，c為矩形金屬板的厚度。
【文檔編號(hào)】H01J23/24GK103632905SQ201310648576
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】宮玉彬, 王戰(zhàn)亮, 陸鵬, 張亞斌, 王少萌, 魏彥玉, 趙國慶, 岳玲娜 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)