专利名称：一种折叠框慢波结构的制作方法
技术领域：
本发明属于微波电真空器件技术领域，涉及行波管放大器件。
背景技术：
行波管具有宽频带、高增益和低噪声等其他电真空器件无法比拟的优点，被广泛应用于雷达、通信、微波遥感、制导和电子对抗等领域。随着现代微波电子技术的发展，航天工程和军用设备对毫米波源的宽频带、高效率、小型化提出了更高要求。然而，与现有的固态源相比，行波管虽然在高功率、宽频带方面具有优势，但是体积庞大，工作电压较高。慢波结构作为行波管的核心部件，直接影响注-波互作用的效率及整个行波管的技术水平。螺旋线和耦合腔是行波管中应用最普遍的两种慢波结构。螺旋线行波管具有十分宽的频带范围，但是由于热容量小，耗散能力低，限制了螺旋线行波管输出功率的提高。耦合腔行波管的散热性能明显优于螺旋线，输出功率大，但是工作带宽较窄。因此，探索宽频带、大功率、小体积的慢波结构是目前行波管发展的一个重要方向。对称双V型微带线慢波结构，如图I所示，是一类新型可适用于带状电子注传输的平面慢波结构。该结构包括纵向对称的上下两个金属底板I和2、分别位于金属底板I和2上的两层介质3和4，以及分别位于介质层3和4表面的平面金属微带线5和6组成。其中，所述的平面金属微带线5和6关于中轴线完全对称，分别在介质层3和4表面呈V型弯曲形状周期性排列下去，形成平面微带慢波电路。对称双V型微带线慢波结构采用带状电子注7与波进行互作用。对称双V型微带线慢波结构的立体结构尺寸示意图如图2所示。其中，介质层材料3和4的介电常数为e，介质层厚度为h，介质层之间的距离为1，介质层宽度为a，平面金属微带线5和6的线宽为《，平面金属微带线的厚度为t，平面金属微带线的横向宽度为b，相邻两个平面金属微带线构成V形宽度为p，“V”字形夹角为2 0，并满足2 0〈180°。对称双V型微带线慢波结构行波管具有宽频带、大电流和低工作电压等特点，是一种很有潜力的微小型毫米波行波管，在相应的电子系统以及宽带毫米波通信等领域具有很好的应用前景。但是，对称双V型微带线慢波结构行波管的耦合阻抗较小，从而限制了其应用发展。
发明内容
为了能够应用微细加工技术实现慢波结构的制造，同时能够在同等尺寸下提高对称双V型微带线慢波结构的耦合阻抗，本发明提出一种折叠框慢波结构，能够进一步满足装备系统对该类器件在工作带宽，输出功率和小型化方面的要求。本发明采用的技术方案是一种折叠框慢波结构，如图3所示，包括下金属底板I和上金属底板2，所述下金属底板I和上金属底板2的形状和大小相同且相互平行；下金属底板I的上表面具有下介质层3，上金属底板2的下表面具有上介质层4，所述下介质层3和上介质层4的介质材料和厚度相同；下介质层3的上表面具有下金属微带线5，上介质层4的下表面具有上金属微带线6 ;所述下金属微带线5和上金属微带线6线宽相同、各自呈周期性折叠状，且相互之间呈镜面对称；下金属微带线5的每个折叠顶点与上金属微带线6对应的折叠顶点之间采用金属连线7相连。上述折叠框慢波结构中，所述下金属微带线5或上金属微带线6可以呈V型、U型或正弦曲线型周期性折叠状，如图4 (a)、(b)、(C)所示。如图4和图6所示，本发明提供的折叠框慢波结构，若定义上、下介质层3或4的宽度为a,上、下金属微带线5或6的线宽为W、横向宽度为b、纵向周期长度为P,相邻两个折叠单元之间的夹角为2 Θ，则满足2 Θ〈180°、0〈b ( a、0〈2w〈p。其它相关尺寸可定义为上、下介质层3或4的厚度为h，上、下介质层之间的距离为1，上、下金属微带线5或6的厚 度为t。本发明提供的折叠框慢波结构，将其中上、下金属微带线5和6以及上、下金属微带线5和6之间对应折叠顶点之间的金属连线7展开来看，就会形成周期性矩形金属线框图形，其中单个周期的矩形金属线框如图5所示。由于上、下金属微带线5和6以及上、下金属微带线5和6之间对应折叠顶点之间的金属连线7展开来看形成周期性矩形金属线框图形，因此本发明提供的慢波结构被定义为折叠框慢波结构。经三维电磁仿真软件仿真验证(以V型折叠框慢波结构为例)，本发明提供的折叠框慢波结构与现有的对称双V型微带线慢波结构相比，在整个工作频带(40GHz 80GHz)内都具有更高的耦合阻抗值，从而可以进一步提高行波管的增益和效率。
图I是加载带状电子束的对称双V型微带线慢波结构的示意图。图2是对称双V型微带线慢波结构的立体结构尺寸示意图。图3是本发明提供的折叠框慢波结构的立体结构示意图。图4是本发明提供的V型(a)、U型(b)、正弦曲线型(C)折叠框慢波结构的立体结构示意图。图5是本发明提供的V型折叠框慢波结构的截面尺寸标注图。图6是本发明提供的V型折叠框慢波结构的二维尺寸标注图。图7是V型折叠框慢波结构和对称双V型微带线慢波结构的色散特性比较图。图8是V型折叠框慢波结构和对称双V型微带线慢波结构的耦合阻抗比较图。
具体实施方案 一种折叠框慢波结构，如图3所示，包括下金属底板I和上金属底板2，所述下金属底板I和上金属底板2的形状和大小相同且相互平行；下金属底板I的上表面具有下介质层3，上金属底板2的下表面具有上介质层4，所述下介质层3和上介质层4的介质材料和厚度相同；下介质层3的上表面具有下金属微带线5，上介质层4的下表面具有上金属微带线6 ;所述下金属微带线5和上金属微带线6线宽相同、各自呈周期性折叠状，且相互之间呈镜面对称；下金属微带线5的每个折叠顶点与上金属微带线6对应的折叠顶点之间采用金属连线7相连。如图4 (a)所示，所述下金属微带线5或上金属微带线6呈V型周期性折叠状，整个折叠框慢波结构为V型折叠框慢波结构。定义上、下介质层3或4的宽度为a，上、下金属微带线5或6的线宽为W、横向宽度为b、纵向周期长度为P，相邻两个折叠单元之间的夹角为2 0，则满足2 0〈180°、0〈b ( a、0〈2w〈p。其它相关尺寸可定义为上、下介质层3或4 的厚度为h，上、下介质层之间的距离为1，上、下金属微带线5或6的厚度为t。如图3、图5和图6，以V型折叠框慢波结构为例，具体方案的结构尺寸如下(尺寸单位mm):上、下介质层3或4的介电常数(e )为4, h=0. 05, 1=0. 31, a=0. 88, w=0. 02,t=0. 01,p=0. 124,b=0. 44,2 0 =12°。利用三维电磁仿真软件对本发明提供的V型折叠框慢波结构进行仿真，获得其色散特性和耦合阻抗，并与具有相同介质层材料介电常数e，相同介质层厚度h，相同介质层之间的距离1，相同介质层宽度a，相同平面微带线线宽W，相同平面微带线厚度t，相同纵向周期长度为P，相同横向宽度b，相同V形夹角2 0的现有对称双V型微带线慢波结构比较。仿真结果如图7和图8所示。其中，其中，曲线11和曲线13分别是本发明提供的V型折叠框慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线；曲线12和曲线14分别是对称双V型微带线慢波结构色散特性曲线、耦合阻抗曲线。从图7中曲线11和曲线12的比较可知在整个频带内(20GHz 110GHz)，本发明所提供的V型折叠框慢波结构的相速度略低于对称双V型微带线慢波结构。从图8中曲线13和曲线14的比较可知相比于对称双V型微带线慢波结构，本发明所提供的V型折叠框慢波结构在整个频带内都具有更高的耦合阻抗值，从而可以进一步提高行波管的增益和效率。另外，本领域技术人员根据本发明说明书的描述，还可设计出上、下金属微带线5或6的纵向周期长度p呈线性递增或线性递减的变周期折叠框慢波结构，以满足特定场合的应用需求。
权利要求
1.一种折叠框慢波结构，包括下金属底板(I)和上金属底板(2)，所述下金属底板(I)和上金属底板(2)的形状和大小相同且相互平行；下金属底板(I)的上表面具有下介质层(3)，上金属底板(2)的下表面具有上介质层(4)，所述下介质层(3)和上介质层(4)的介质材料和厚度相同；下介质层(3)的上表面具有下金属微带线(5)，上介质层(4)的下表面具有上金属微带线(6);所述下金属微带线(5)和上金属微带线(6)线宽相同、各自呈周期性折叠状，且相互之间呈镜面对称；其特征在于，下金属微带线(5)的每个折叠顶点与上金属微带线(6)对应的折叠顶点之间采用金属连线(7)相连。
2.根据权利要求I所述的折叠框慢波结构，其特征在于，所述下金属微带线(5)或上金属微带线(6)呈V型、U型或正弦曲线型周期性折叠状。
3.根据权利要求I所述的折叠框慢波结构，其特征在于，定义上、下介质层(3或4)的宽度为a,上、下金属微带线(5或6)的线宽为W、横向宽度为b、纵向周期长度为P,相邻两个折叠单元之间的夹角为2 Θ，则满足:2 Θ〈180。、0〈b彡a、0〈2w〈p。
4.根据权利要求I所述的折叠框慢波结构，其特征在于，所述上、下金属微带线(5或6)的纵向周期长度P呈线性递增或线性递减，使整个折叠框慢波结构成为变周期折叠框慢波结构。
全文摘要
一种折叠框慢波结构，属于微波电真空器件技术领域。包括形状和大小相同且相互平行的上、下金属底板(2和1)；上、下金属底板相向的表面各具有一层介质层(3和4)；上、下介质层(3和4)相向的表面各具有一层金属微带线(5和6)，上、下金属微带线(5和6)线宽相同、各自呈周期性折叠状，且相互之间呈镜面对称；上、下金属微带线(5和6)对应的折叠顶点之间采用金属连线(7)相连。本发明提供的折叠框慢波结构与现有对称双V型微带线慢波结构相比，在整个工作频带内都具有更高的耦合阻抗值，从而可以进一步提高行波管的增益和效率。同时，折叠框慢波结构的制造能够利用微细加工技术实现，具有广泛的应用前景。
文档编号H01J23/24GK102956418SQ20121042434
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者魏彦玉, 郭彍, 徐进, 殷海荣, 宫玉彬, 唐涛, 黄民智, 王文祥 申请人:电子科技大学