專利名稱：曲折槽波導(dǎo)慢波線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波電子管技術(shù)領(lǐng)域，涉及微波管高頻系統(tǒng)中的慢波線結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
作為微波傳輸線的普通波導(dǎo)工作到毫米波特別是短毫米波波段時，尺寸將變得十分小，
極大地限制了傳輸微波的功率容量，同時，損耗卻迅速增加，比如，在200GHz頻率下，矩形波導(dǎo)的尺寸只有1.092mmx0.546mm，理論損耗達(dá)到9.7dB/m，實(shí)際測量達(dá)到的損耗更高達(dá)40dB/m,過模波導(dǎo)雖然可以增大波導(dǎo)尺寸，但卻存在嚴(yán)重的高次模式競爭。
槽波導(dǎo)是上世紀(jì)六十年代提出的一種波導(dǎo)傳輸線，如圖1所示，它由上、下金屬板1、 2，以及在金屬板上加工出的槽3組成，槽3的形狀可以是圓弧形、半圓形、矩形、橢圓形、三角形、梯形等，也可以是任意其它形狀。圖2給出了幾種槽形的槽波導(dǎo)的橫截面圖，圖中同時給出了在槽波導(dǎo)中基模高頻場的分布，細(xì)實(shí)線為電力線，虛線為磁力線，具有其它槽形的槽波導(dǎo)中的基模高頻場分布與此類似。可以看出這種場分布類似于圓波導(dǎo)中的TEn模，它具有下述特點(diǎn)
n)在槽波導(dǎo)橫截面的中心軸線方向上，電場具有橫向最大值，當(dāng)電子注沿著該方向通
過時，就將與場發(fā)生最有效的相互作用；
(2)場主要集中在槽區(qū)，隨著離開槽區(qū)距離的增加，基模場將迅速衰減，以致當(dāng)離開槽區(qū)達(dá)到一定距離后，基模場實(shí)際上己趨于零。
槽波導(dǎo)克服了普通波導(dǎo)在尺寸和損耗方面的不足，具有尺寸大、損耗小，單模工作頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而特別適合在毫米波、亞毫米波波段應(yīng)用。以圓波導(dǎo)和半圓形槽波導(dǎo)比較為例，普通圓波導(dǎo)的TEn模單模工作范圍是2.61IKa〈3.14R，其中R為圓波導(dǎo)半徑，X為微波波長；而半圓形槽波導(dǎo)的單模工作范圍可以達(dá)到0.99&<^<3.2711，遠(yuǎn)大于圓波導(dǎo)的工作頻率范圍，其中R為半圓形槽的曲率半徑；反之，若單模工作頻率范圍不變，則半圓形槽波導(dǎo)的尺寸就可以比圓波導(dǎo)尺寸大得多，從而功率容量也相應(yīng)提高；至于損耗，同樣在200GHz頻率下，根據(jù)兩塊金屬板1與2之間距離的不同，矩形槽波導(dǎo)的損耗大約在l 5dB/m之間，比同頻率下的矩形波導(dǎo)的理論損耗9.7dB/m小得多。
將矩形窄波導(dǎo)順其寬邊(E面)來回折彎就形成曲折矩形波導(dǎo)(折彎時可以采用直角彎，也可以是圓弧彎〉。圖3給出了圓弧彎普通曲折矩形波導(dǎo)的立體示意圖，圖中4為矩形窄波導(dǎo)。折彎時，除了圓弧彎曲部分5外，還有一段直波導(dǎo)部分6,沿著普通曲折波導(dǎo)的中軸線開一個縱向貫通的圓形孔，相鄰兩個曲折單元的直波導(dǎo)的圓形通孔之間，采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7，從而構(gòu)成曲折波導(dǎo)慢波線。圖3中同時也畫出了矩形波導(dǎo)中TEw模的電力線分布。
沿通過曲折波導(dǎo)慢波線中軸線且平行于矩形波導(dǎo)窄邊的中心平面剖開，可將曲折波導(dǎo)慢波線一分為二。因此，現(xiàn)有的曲折波導(dǎo)慢波線通常采用兩塊半金屬板制作其中一半金屬板如圖4所示(另一半金屬板與它完全對稱)，在兩塊半金屬板上分別加工出半曲折矩形波導(dǎo)和半圓金屬通孔8，然后將兩塊金屬板合在一起形成完整的曲折矩形波導(dǎo)慢波線(兩個半圓通孔8合在一起正好形成圓形電子注通道7〉。
由于矩形波導(dǎo)中基模TEu)模的電力線垂直于波導(dǎo)寬邊,因而矩形波導(dǎo)經(jīng)折彎形成曲折波導(dǎo)后，電力線方向?qū)⒄迷谇鄄▽?dǎo)的縱向(即中軸線方向)，當(dāng)電子注在電子注通道7中通過時，電子運(yùn)動方向與高頻電場方向就會相同或相反，從而相互作用而產(chǎn)生能量交換，在一定條件下，使微波場得到放大；同時微波沿矩形波導(dǎo)曲折傳輸，它在曲折波導(dǎo)縱向的相速就慢了下來?？梢姡鄄▽?dǎo)可以成為微波管中發(fā)生注-波互作用的最重要的高頻系統(tǒng)之一一慢波線，曲折矩形波導(dǎo)慢波線已被廣泛應(yīng)用于毫米波行波管中。
由于普通矩形波導(dǎo)工作到毫米波特別是短毫米波波段時，尺寸將變得十分小，極大地限制了傳輸微波的功率容量，同時，損耗卻迅速增加；因此基于矩形波導(dǎo)的曲折矩形波導(dǎo)慢波線工作到毫米波特別是短毫米波波段時，同樣存在尺寸小，傳輸微波的功率容量低，而損耗增加的缺陷，從而極大地限制了曲折矩形波導(dǎo)慢波線的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種曲折槽波導(dǎo)慢波線，該慢波線與現(xiàn)有的曲折矩形波導(dǎo)慢波線相比具有寬頻帶、大尺寸、低損耗的特點(diǎn)，且具有更高的輸出功率和效率；同時，該慢波線還具有結(jié)構(gòu)相對簡單，加工精度要求低和加工容易的特點(diǎn)。
本發(fā)明基于普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線同樣的原理，將槽波導(dǎo)中的槽來回折彎成曲折槽波導(dǎo)(其折彎方式同樣可以是直角折彎，也可以是圓弧折彎)，即形成本發(fā)明的曲折槽波導(dǎo)慢波線。
本發(fā)明技術(shù)方案如下-
4曲折槽波導(dǎo)慢波線，如圖5所示，包括相互平行的上金屬板1和下金屬板2，兩塊金屬板上均具有曲折槽3，所述曲折槽3由系列彎曲槽部分9和直槽部分10首尾連接而成，且上、下金屬板的曲折槽3相對于上、下金屬板之間的中心平面呈鏡面對稱；上、下金屬板之間通過位于上、下金屬板長邊邊緣位置的支撐壁11 (如圖7所示)固定在一起。整個曲折槽波導(dǎo)相當(dāng)于將槽波導(dǎo)中的槽來回折彎而成(其折彎方式可以是直角折彎，也可以是圓弧折彎；即曲折槽3的彎曲槽部分9可以是直角彎曲槽，也可以是圓弧彎曲槽)。
上述方案中，所述曲折槽3的橫截面形狀可以是圓弧、半圓形、矩形、橢圓形、三角形或梯形，也可以是其它任意形狀。所述支撐壁ll的材料可以是金屬、絕緣材料或微波吸收材料。
需要說明的是，由于槽波導(dǎo)中高頻場的電力線是接近平行于上、下金屬板而不是垂直于金屬板的，因而折彎時，不能對金屬板進(jìn)行折彎，而是順槽的方向?qū)Σ圻M(jìn)行來回折彎。曲折槽波導(dǎo)單片金屬板的形狀如圖6所示，另一片的形狀也完全與它對稱。不難看出，如果槽是矩形的，則曲折槽波導(dǎo)的單片金屬板與普通曲折矩形波導(dǎo)的一半金屬板在形狀上是基本相同的，只是曲折槽波導(dǎo)上已沒有專門作為電子注通道的半圓形通孔8。這是因?yàn)椋鄄鄄▽?dǎo)的兩片金屬板合在一起形成完整的慢波線時，兩片金屬板并不接觸，中間留有一定距離，這
一間距自然形成了電子注的通路；而普通曲折矩形波導(dǎo)兩半金屬板合在一起時，必須完全合
攏并牢固結(jié)合在一起，才能形成完整的曲折矩形波導(dǎo)慢波線，顯然，這時在中軸線上單獨(dú)開
專門的圓形通孔來形成電子注通道成為必須；另外，正是由于槽波導(dǎo)上、下金屬板之間有間隙，因而曲折矩形槽波導(dǎo)單片金屬板上的槽深就比普通曲折矩形波導(dǎo)半金屬板上的槽深要淺—些。
本發(fā)明提供的曲折槽波導(dǎo)慢波線的優(yōu)越性在于-
(1) 槽波導(dǎo)所具有的寬頻帶、大尺寸、低損耗的特點(diǎn)，在曲折槽波導(dǎo)中同樣具有；
(2) 在曲折槽波導(dǎo)中基模高頻場在上、下金屬板之間的中心對稱面上具有最強(qiáng)的縱向電場，因此與電子注發(fā)生互作用最有效，有利于提高微波管的輸出功率和效率；
(3) 在曲折槽波導(dǎo)中，分離的上下金屬板之間將自然形成電子注通道，并允許帶狀電子注通過，比之普通曲折波導(dǎo)的圓孔電子注通道，在帶狀電子注厚度與圓柱形電子注直徑相同時，帶狀電子注的寬度可以比厚度大很多，因此在電流密度不變的情況下，帶狀電子注的總電流就可以比圓柱形電子注大得多，參與互作用的電流增加，微波管的輸出功率就可以增加，由此可見，曲折槽波導(dǎo)慢波線行波管可以比普通曲折波導(dǎo)行波管在相同尺寸下獲得更大的輸出功率。
(4) 由于在槽波導(dǎo)中，只要離開槽一定的距離，基模場就會衰減到很小，因此，在曲折槽波導(dǎo)慢波線中，我們可以很方便地在離開槽一定距離后，用支撐壁來支持固定上下金屬板，如圖7所示，支撐壁ll可以是金屬，也可以是絕緣材料或微波吸收材料，只要正確設(shè)計曲折槽波導(dǎo)，不論什么支撐壁都不會影響槽波導(dǎo)對基模的傳輸。
(5) 曲折槽波導(dǎo)由于上下金屬板的分離，上下金屬板合在一起時中間有間距，因此降低了對上下金屬板中槽的對準(zhǔn)要求，而普通曲折矩形波導(dǎo)，由于必須使兩半金屬板合挽成整體，這樣就要求兩塊金屬板上的波導(dǎo)槽必須嚴(yán)格對準(zhǔn)以形成完整的內(nèi)壁光滑的矩形窄波導(dǎo)，并且要通過特殊方法將兩塊半金屬板緊密牢固結(jié)合在一起。因而加工精度要求十分嚴(yán)格，工藝相對復(fù)雜。
基于曲折槽波導(dǎo)的這些優(yōu)點(diǎn)，因此它更適合于在毫米波、亞毫米波波段行波管中作慢波線應(yīng)用。


圖l是槽波導(dǎo)示意圖，圖中(a)是圓弧形槽波導(dǎo)，(b)是矩形槽波導(dǎo)。
圖2是四種槽形的槽波導(dǎo)橫截面圖，槽形分別為(a)三角形，(b〉梯形，(c)半圓形和(d)矩形。圖中給出了槽波導(dǎo)中基模高頻電磁場的分布，細(xì)實(shí)線為電力線，虛線為磁力線。
圖3為普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線的立體示意圖，圖中同時給出了矩形波導(dǎo)中TE,o模電力線分布。
圖4為實(shí)際加工出的普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線的半金屬板的圖形。圖5是本發(fā)明提供的曲折圓弧槽波導(dǎo)慢波線的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為實(shí)際加工出的曲折圓弧槽波導(dǎo)慢波線的半金屬板圖形。圖7是本發(fā)明提供的曲折矩形槽波導(dǎo)慢波線的結(jié)構(gòu)示意圖。
以上各圖中，l為槽波導(dǎo)上金屬板；2為槽波導(dǎo)下金屬板；3為槽波導(dǎo)的槽；4為形成曲折矩形波導(dǎo)的矩形窄波導(dǎo)形狀及TE^模電力線分布；5為普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線中的彎曲波導(dǎo)部分；6為普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線中的直波導(dǎo)部分；7為電子注通道；8則是在實(shí)際加工出的曲折矩形波導(dǎo)一半金屬板上的半圓通孔；9是曲折槽波導(dǎo)慢波線中的彎曲槽波導(dǎo)部分;IO是曲折槽波導(dǎo)慢波線中的直槽波導(dǎo)部分；U是曲折槽波導(dǎo)慢波線上下金屬板之間的支撐側(cè)
6壁。
具體實(shí)施例方式
圖5和圖7給出了兩種曲折槽波導(dǎo)慢波線的具體實(shí)施方式
。
圖5是一種曲折圓弧槽波導(dǎo)慢波線的立體結(jié)構(gòu)示意圖，這里為了能清楚看到槽的曲折情 形，忽略了金屬板的厚度；同時忽略了上、下金屬板之間的支撐壁。
圖7是一種曲折矩形槽波導(dǎo)慢波線的立體結(jié)構(gòu)示意圖。上、下金屬板應(yīng)該是在有一定厚 度的金屬板上直接挖曲折槽形成，與圖6類似。這里為了能清楚看到槽的曲折情形，忽略了 金屬板的厚度。上、下金屬板之間采用了氧化鈹陶瓷條ll支撐。
權(quán)利要求
1、曲折槽波導(dǎo)慢波線，包括相互平行的上金屬板(1)和下金屬板(2)，兩塊金屬板上均具有曲折槽(3)，所述曲折槽(3)由系列彎曲槽部分(9)和直槽部分(10)首尾連接而成，且上、下金屬板的曲折槽(3)相對于上、下金屬板之間的中心平面呈鏡面對稱；上、下金屬板之間通過位于上、下金屬板長邊邊緣位置的支撐壁(11)固定在一起；整個曲折槽波導(dǎo)相當(dāng)于將槽波導(dǎo)中的槽來回折彎而成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲折槽波導(dǎo)慢波線，其特征在于，所述曲折槽(3)的彎曲槽部分(9)是直角彎曲槽。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的曲折槽波導(dǎo)慢波線，其特征在于，所述曲折槽(3)的彎曲槽部分(9)是圓弧彎曲槽。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2或3所述的曲折槽波導(dǎo)慢波線，其特征在于，所述曲折槽(3)的橫截面形狀為圓弧、半圓形、矩形、橢圓形、三角形、梯形或其它任意形狀。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的曲折槽波導(dǎo)慢波線，其特征在于，所述支撐壁(11)的材料為金屬、絕緣材料或微波吸收材料。
全文摘要
曲折槽波導(dǎo)慢波線，屬于微波電子管技術(shù)領(lǐng)域，涉及微波管高頻系統(tǒng)中的慢波線結(jié)構(gòu)。它是由槽波導(dǎo)順槽的方向?qū)Σ圻M(jìn)行來回折彎形成的，槽波導(dǎo)中基模的電場將在慢波線縱軸上最強(qiáng)，與電子注正好產(chǎn)生最強(qiáng)的互作用；槽波導(dǎo)上、下金屬板之間有間隔，無需要專門的電子注通道，而支撐上、下金屬板間隔的側(cè)壁可以是金屬、絕緣材料或微波吸收材料。本發(fā)明提供的曲折槽波導(dǎo)將保留有槽波導(dǎo)所具有的大尺寸、低損耗、寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，曲折槽波導(dǎo)慢波線還具有允許大尺寸電子注通過，因而具有更高的輸出功率和效率；同時，該慢波線還具有結(jié)構(gòu)相對簡單，加工精度要求低和加工容易的特點(diǎn)。本發(fā)明提供的曲折槽波導(dǎo)慢波線更適合在毫米波、亞毫米波波段行波管中應(yīng)用。
文檔編號H01P9/00GK101673866SQ20091006007
公開日2010年3月17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)明者濤 唐, 宮玉彬, 岳玲娜, 王文祥, 趙國慶, 魏彥玉 申請人:電子科技大學(xué)