专利名称：一种脊加载曲折波导慢波线的制作方法
技术领域：
本发明属于微波真空电子技术领域，涉及行波管放大器件。
背景技术：
行波管作为微波频段应用最为广泛的电真空器件，具有其他器件无法比拟的优越性。慢波线作为行波管注-波互作用的核心部件，其性能优劣直接决定了行波管的技术水平。螺旋线和耦合腔一直是行波管中使用最广泛的慢波系统。螺旋线行波管虽然具有倍频程以上的带宽，但输出功率受到热耗散能力的限制；特别是当行波管工作于短厘米和毫米波段时，由于螺旋线横向尺寸极小，散热困难，其功率容量更小。耦合腔行波管虽然具有比螺旋线高一个数量级的功率电平，脉冲功率可高达数百kW，由于带边振荡的影响，其带宽十分窄。此外，毫米波耦合腔行波管尺寸很小，加工、装配精度要求高，成品率低，成本高。因此，寻找能工作在毫米波段，性能优良的新型行波管慢波结构就显得十分必要了。
曲折波导慢波线，如图1所示，是一类新型全金属慢波线，它是由矩形波导1沿电场面(波导宽面)周期性弯曲成直角型曲折线或U型曲折线而形成的；在沿慢波结构的中轴对称线2的位置在波导壁上开圆形通孔；然后在慢波结构的每个周期性直角槽或U型槽的两个圆形通孔之间，用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管3连接，形成电子注通道。曲折波导慢波线沿纵向对称面的剖面图如图2所示。该慢波结构在实现大功率容量的同时，具有良好的宽带性能。该结构主要有机械强度高、散热好、功率容量大、加工比较容易以及输入输出耦合结构相对简单的优点。同时，由于可以采用微细加工技术来制造，以曲折波导慢波结构为核心的微型曲折波导行波管在毫米波段很有潜力成为一种大功率、小型辐射源，在军事电子系统以及宽带毫米波通讯等领域具有很好的应用前景。
但是，由于曲折波导慢波系统属于基波为返向波的系统，工作在负一次空间谐波上，因此该慢波结构的耦合阻抗较低。根据皮尔斯理论，行波管的增益与增益参量成正比；行波管的增益参量为其中Kc为耦合阻抗，I0，V0分别为电子注电流和电压。大信号理论分析表明，电子效率具有如下关系ηemax＝KC，其中k＝0.5～7。因此，耦合阻抗作为表征慢波系统和电子注相互作用强弱的参量，与行波管的增益与效率直接相关。根据已有的国内外相关实验报道，由于曲折波导慢波结构的耦合阻抗低，使得行波管整体的增益和效率被限制了。
发明内容
为了提高曲折波导慢波系统的耦合阻抗，从而使得曲折波导行波管具有更高的增益和效率，本发明提出了一种曲折双脊波导慢波线。
本发明所采用的技术方案是 一种脊加载曲折波导慢波线，如图3所示，由一系列的圆弧弯曲波导(或直角弯曲波导)和直波导首尾连接而成，等同于由矩形波导1沿电场面周期性弯曲成U型曲折线(或直角型曲折线)，形成曲折波导结构。在每个曲折单元的直波导内壁加载有一定厚度的金属脊片4；在波导壁和金属脊片上沿慢波结构的中轴对称线2的位置处开有圆形通孔，相邻两个曲折单元的直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管3连接，形成电子注通道。
脊加载曲折波导慢波结构的尺寸参数如图4，图5所示a为波导宽边长度，b为波导窄边长度，L为单个曲折周期结构的曲折长度，H为直波导的高度，r0为电子注通道的半径，w为金属脊片的宽度，d为金属脊片的厚度，h为金属脊片的高度。金属脊片的相关尺寸满足2r0＜w≤a，0＜d＜0.5b，2r0＜h≤H。
设定结构尺寸(单位mm)a＝5，b＝0.8，L＝4.56，H＝2.2，r0＝0.5，w＝5，d＝0.25，h＝2.2。利用三维电磁仿真软件对本发明提供的脊加载曲折波导慢波结构进行仿真，获得其色散特性和耦合阻抗，并与曲折双脊慢波结构(见中国专利申请一种曲折双脊波导慢波线，申请号200910059552.9，申请日期2009.6.10)、普通曲折波导慢波结构比较，仿真结果如图6和图7所示。其中，曲线5和曲线8分别是普通曲折波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线6和曲线9分别是曲折双脊波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线7和曲线10是本发明提供的脊加载曲折波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线。
从图6中曲线5、曲线6和曲线7的比较可知相比于普通曲折波导慢波结构，曲折双脊慢波结构的色散曲线更平坦，能工作更宽的频带范围内；而本发明提供的脊加载曲折波导慢波结构的色散更强，工作频带变窄了。
从图7中曲线8、曲线9和曲线10的比较可以明显看出相比于普通曲折波导慢波结构，曲折双脊慢波结构的耦合阻抗更低，而本发明提供的脊加载曲折波导结构具有更高的耦合阻抗值，特别是在高频端附近。说明通过在曲折波导慢波结构的直波导上加载金属脊片，可以提高慢波结构的耦合阻抗，从而使得导行波管的增益和效率得以提高。
图1是普通曲折波导慢波结构的立体示意图。
图2是普通曲折波导慢波结构沿纵轴方向的剖面图。
图3是本发明提供的脊加载曲折波导慢波结构示意图。
图4是本发明提供的脊加载曲折波导慢波结构横截面的示意图。
图5是本发明提供的脊加载曲折波导慢波结构纵截面的示意图。
图6是脊加载曲折波导慢波结构、曲折双脊慢波结构和普通曲折波导慢波结构的色散特性比较图。
图7是脊加载曲折波导慢波结构、曲折双脊慢波结构和普通曲折波导慢波结构的耦合阻抗比较图。
在以上各图中1是矩形波导，2是慢波结构的中轴对称线，3是形成电子注通道的金属管，4是金属脊片，曲线5和曲线8分别是普通曲折波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线6和曲线9分别是曲折双脊波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线7和曲线10是脊加载曲折波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线。
具体实施方案 如图4和图5，在8mm毫米波段，曲折双脊波导慢波线具体方案的结构尺寸如下(单位mm)a＝5，b＝0.8，L＝4.56，H＝2.2，r0＝0.5，w＝5，d＝0.25，h＝2.2。利用三维电磁仿真软件对本发明提供的脊加载曲折波导慢波线进行仿真，获得其色散特性和耦合阻抗，并与曲折双脊慢波结构、普通曲折波导慢波线比较，仿真结果如图6和图7所示。曲线5和曲线8分别是普通曲折波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线6和曲线9分别是曲折双脊波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线，曲线7和曲线10是本发明提供的脊加载曲折波导慢波结构的色散特性曲线和耦合阻抗曲线。
从图6中曲线5、曲线6和曲线7的比较可知相比于普通曲折波导慢波结构，曲折双脊慢波结构的色散曲线更平坦，能工作更宽的频带范围内；而本发明提供的脊加载曲折波导慢波结构的色散更强，工作频带变窄了。
从图7中曲线8、曲线9和曲线10的比较可以明显看出相比于普通曲折波导慢波结构，曲折双脊慢波结构的耦合阻抗更低，而脊加载曲折波导结构具有更高的耦合阻抗值，特别是在高频端附近。说明通过在曲折波导慢波结构的直波导上加载金属脊片，可以提高慢波结构的耦合阻抗，从而使得导行波管的增益和效率得以提高。
权利要求
1、一种脊加载曲折波导慢波线，由一系列的圆弧弯曲波导和直波导首尾连接而成，等同于由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成U型曲折线，形成曲折波导结构；在每个曲折单元的直波导内壁加载有一定厚度的金属脊片(4)；在波导壁和金属脊片上沿慢波结构的中轴对称线(2)的位置处开有圆形通孔，相邻两个曲折单元的直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道；
所述脊加载曲折波导慢波结构的尺寸参数为a为波导宽边长度，b为波导窄边长度，L为单个曲折周期结构的曲折长度，H为直波导的高度，r0为电子注通道的半径，w为金属脊片的宽度，d为金属脊片的厚度，h为金属脊片的高度；金属脊片的相关尺寸满足2 r0＜w≤a，0＜d＜0.5b，2 r0＜h≤H。
2、一种脊加载曲折波导慢波线，由一系列的直角弯曲波导和直波导首尾连接而成，等同于由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成直角型曲折线，形成曲折波导结构；在每个曲折单元的直波导内壁加载有一定厚度的金属脊片(4)；在波导壁和金属脊片上沿慢波结构的中轴对称线(2)的位置处开有圆形通孔，相邻两个曲折单元的直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道；
脊加载曲折波导慢波结构的尺寸参数为a为波导宽边长度，b为波导窄边长度，L为单个曲折周期结构的曲折长度，H为直波导的高度，r0为电子注通道的半径，w为金属脊片的宽度，d为金属脊片的厚度，h为金属脊片的高度；金属脊片的相关尺寸满足2 r0＜w≤a，0＜d＜0.5b，2 r0＜h≤H。
全文摘要
一种脊加载曲折波导慢波线，属于微波真空电子技术领域，涉及行波管放大器件。由一系列的圆弧弯曲波导(或直角弯曲波导)和直波导首尾连接而成，等同于由矩形波导沿电场面周期性弯曲成U型曲折线(或直角型曲折线)，形成曲折波导结构；在每个曲折单元的直波导内壁加载有一定厚度的金属脊片；在波导壁和金属脊片上沿慢波结构的中轴对称线的位置处开有圆形通孔，相邻两个曲折单元的直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管连接，形成电子注通道。本发明可以提高曲折波导慢波系统的耦合阻抗，从而使得曲折波导行波管具有更高的增益和效率。
文档编号H01J23/24GK101651074SQ20091006006
公开日2010年2月17日 申请日期2009年7月22日 优先权日2009年7月22日
发明者俊 何, 魏彦玉, 宫玉彬, 王文祥, 黄明智 申请人:电子科技大学