一种微带曲折线慢波结构的制作方法

1.本发明属于真空电子学领域，更具体地，涉及一种微带曲折线慢波结构。


背景技术：

2.毫米波是介于微波与红外线之间的电磁频谱，它所对应的频率范围为30ghz至300ghz，实际应用中人们也常把毫米波的频率低端降至18ghz。毫米波因其具有频带宽、波束相对较窄、全天候工作以及易于集成与小型化等特性，使得其在毫米波雷达与制导系统、电子对抗领域、毫米波遥感、毫米波通信等领域具有广阔的应用前景。毫米波技术使现代通信系统能够传送更大的信息量，大大地拓宽了通信频带，为更多的用户提供了互不干扰的信道，同时也能为各种电子系统提供较高质量的电磁兼容特性。因此，毫米波技术对发展国民经济以及巩固国防有着非常重大的意义。
3.毫米波技术的发展与应用对小型化宽频带和大功率毫米波源提出了急迫的需求。基于真空电子学的行波管是一类具有大功率和宽频带特征的毫米波辐射源。传统的行波管工作时需要性能优良的磁聚焦系统和稳定的高压电源，这就导致行波管的体积和重量都比较大，而且器件的可重复性较差，单个器件的成本也特别高。因此，发展结构简单、低成本、小型化的行波管成为推动毫米波技术发展的关键。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种微带曲折线慢波结构，主要解决行波管小型化、简化慢波结构、适应半导体加工工艺、提升传输特性和改善电场分布等问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种微带曲折线慢波结构，包括：微带曲折线结构；
6.所述微带曲折线结构包括介质基片和位于所述介质基片上的金属贴片层，所述金属贴片层由u型金属线和矩形金属线交替组成。
7.在一些可选的实施方案中，所述u型金属线和所述矩形金属线采取不同的线宽。
8.在一些可选的实施方案中，所述微带曲折线慢波结构还包括与所述微带曲折线结构匹配的输入输出波导。
9.在一些可选的实施方案中，所述输入输出波导与所述微带曲折线结构之间存在过渡波导结构。
10.在一些可选的实施方案中，所述过渡波导结构采用非标准矩形波导结构。
11.在一些可选的实施方案中，在所述微带曲折线结构中微带线的前端和后端各增加一段微带探针，并将微带探针插入到各自对应的过渡波导结构中。
12.在一些可选的实施方案中，所述微带曲折线慢波结构还包括装载所述微带曲折线结构的金属腔体。
13.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有
益效果：
14.(1)本发明提出了一种微带曲折线慢波结构，可适用于小型化行波管放大器，设计了一种u型贴片变型的微带线及介质基板构成的微带曲折线结构，该结构是慢波结构的核心部件，实现了简化慢波结构，改善慢波结构中电磁波的传输特性、优化电场分布的目的。本发明原理简洁明晰，工程实用性强，通过u型微带线的变型优化，具有结构简单易于加工制造的优点，为降低行波管的加工难度及提高行波管输出特性提供一种可行的解决方案。
15.(2)传统行波管的慢波结构采用全金属结构，通过在金属上刻槽实现，不仅加工难度大，加工精度也难以保证。本发明采用平面微带曲折线结构，适用于工艺成熟的印制电路板技术加工，不需要在金属上刻槽，降低了加工难度且加工精度高，可以缩小行波管的体积。
16.(3)本发明设计的微带曲折线慢波结构，具有结构简单的特征，通过与输入输出结构配合可获得较好的反射特性，对于提高行波管输出特性具有较大优势。
附图说明
17.图1是本发明实施例提供的一种微带曲折线慢波线示意图，其中，上方u型金属线为微带线，下方矩形为介质基片；
18.图2是本发明实施例提供的一种微带曲折线结构模型示意图，(a)为微带线单元示意图，(b)为微带曲折线慢波结构横截面图；
19.图3是本发明实施例提供的一种微带曲折线慢波结构的纵向电场分布；
20.图4是本发明实施例提供的一种微带曲折线慢波结构及其输入输出结构示意图；
21.图5是本发明实施例提供的一种微带曲折线慢波结构的传输特性曲线。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
23.本发明设计了一种微带曲折线慢波结构，可应用于小型化行波管作为其注波互作用系统，主要解决行波管小型化、简化慢波结构、适应半导体加工工艺、提升传输特性和改善电场分布等问题，该微带曲折线慢波结构可以作为小型化行波管的高频互作用结构。可以缩小行波管的体积、降低加工成本以及提升行波管制造的可重复性，能够使用印制电路板技术进行加工，通过优化结构参数，该慢波结构获得了较为良好的电磁波传输特性。
24.本发明提出了一种微带曲折线慢波结构，其技术要点如下：
25.(1)一种微带曲折线慢波结构包括微带曲折线结构设计、输入输出耦合结构设计、传输特性仿真等主要技术。
26.(2)微带曲折线结构设计：通过设计特定形式的金属贴片及介质基片，形成微带曲折线结构。
27.(3)输入输出耦合结构设计：通过对输入输出结构优化设计，形成与微带曲折线相匹配的结构，形成具有低反射和低损耗的输入输出结构。
28.(4)传输特性仿真：在cst中构建仿真模型，利用cst中的时域求解器对模型的传输特性进行模拟计算。
29.具体如下：
30.微带曲折线慢波结构由微带曲折线、输入输出波导、金属腔体构成，其中，微带曲折线是慢波结构的核心部分。
31.1、微带曲折线结构设计
32.首先设计金属贴片层，贴片层为u型金属线部分和矩形金属线部分组合合成，二者采取不同的线宽，通过周期性重复形成微带曲折线的贴片层，如图1所示。介质基片选择rogers rt5880，介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009，磁导率为1.0。
33.本发明提出的微带曲折线慢波结构显著特征在于对u形金属线的变型设计，采用非等线宽的u形金属线和矩形金属线组合成微带曲折线，能够改善电场分布和慢波结构的传输特性。如图2所示是微带曲折线结构模型示意图，其中，(a)为微带线单元示意图，(b)为微带曲折线慢波结构横截面图。图2中的参数p表示周期长度，b表示金属线横向宽度，w1表示金属线矩形部分线宽，w2表示金属线u形部分线宽，a表示介质基片横向宽度，h表示慢波结构矩形腔体高度，h
s
表示介质基片厚度，t表示金属线厚度。通过对图2中参数的仿真优化设计，最终设计参数为：p＝0.14mm，a＝0.96mm，b＝0.50mm，w1＝0.02mm，w2＝0.03mm，h＝0.90mm，h
s
＝0.04mm，t＝0.005mm。
34.利用本征模求解器对设计的微带曲折线慢波结构进行仿真，获得纵向电场分布，如图3所示。纵向电场集中在金属线周围，保持了比较大的强度。有利于电子注与电磁波进行相互作用。
35.2、输入输出耦合结构设计
36.为了使电磁波信号能够无损耗或者低损耗在外部电路与慢波结构中馈入或传输，需要对慢波结构的输入输出结构进行设计。通过在输入输出标准波导与慢波结构中间增加一段过渡波导结构(如图4中虚线框标记的部分，是一段矩形腔体结构)，可以实现慢波结构与输入输出标准波导的良好匹配。如图4所示为微带曲折线慢波结构及其输入输出结构示意图，整个腔体材料(包括输入输出过渡结构、注波互作用结构)采用高电导率无氧铜，电导率为5.8
×
107s/m。过渡段采用非标准矩形波导结构，宽边尺寸为0.5mm，窄边尺寸为0.35mm。在微带线的前端和后端分别增加一段微带探针，将微带探针插入到过渡波导结构中，实现电磁波在微带曲折线与外部电路的传输。设计的波导-微带探针结构具有驻波小、低反射和低损耗等优点，通过对过渡波导和微带探针尺寸的优化，可以最大程度地改善慢波结构的传输特性。
37.3、传输特性仿真
38.慢波结构的传输特性直接影响着电子注与电磁波相互作用的性能，只有更多的电磁波馈入到慢波结构中，电子注与电磁波才能进行有效的相互作用。此外，传输特性也将直接影响着行波管的工作带宽和增益的平坦度。通常在进行注波互作用模拟前，都需要进行传输特性仿真，通过传输特性判断慢波结构的设计是否合理，是否可以获得较宽的工作带宽以及较为平坦的增益曲线。传输特性主要考察反射系数s11和传输系数s21。
39.在cst软件中利用时域求解器对上述微带曲折线慢波结构进行模拟计算，经过数值处理后获得慢波结构的传输特性曲线，如图5所示。从图5中可以看到，在25ghz到40ghz的
宽频带范围内，所设计的微带曲折线慢波结构的反射系数s11都小于-20db，传输系数s21则大于-1.5db。表明所设计的慢波结构具有良好的传输特性，可以作为行波管的高频结构。
40.本发明提出的一种微带曲折线慢波结构，通过对微带金属线的变型设计及对过渡波导和微带探针的优化设计，获得了较为良好的传输特性。同时，本发明提出的微带曲折线慢波结构具有结构简单、尺寸小等优点，适用于印制电路板技术加工，能够缩小行波管的体积、降低行波管加工成本和提升行波管加工的可重复性。上述技术特征表明本发明提出的微带曲折线慢波结是一种适用于小型化行波管的慢波结构。
41.需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
42.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。