不对称金属加载螺旋线慢波结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微波真空电子器件领域，具体涉及一种角向不对称金属加载螺旋线慢波结构。
【背景技术】
[0002]螺旋线慢波结构广泛应用于需要宽频带工作的卫星通信、电子对抗和雷达用的行波管中。图1所示为常用螺旋线慢波结构，是宽带行波管的核心部分。图2是图1所示螺旋线慢波结构的剖面图，该结构包括管壳，与管壳同轴设置的螺旋线以及位于螺旋线和管壳之间对称设置的三个夹持杆。夹持杆可以有各种形状，除了图中所示的楔形外还可以是矩形、圆形和品字形等多种形状。图2中^为螺旋内半径，rb为螺旋外半径，r。为管壳内半径，α为夹持杆的张角。图3给出了描述图1所示慢波结构的色散特性的布里渊图(此处及后面的螺旋线慢波结构均由CST公司的微波工作室(MWS)模拟得到)和与基波同步的电子速度线，可以看到电子除了和基波同步外，必然还会和作为返波的空间谐波交于A点，而和该频率的同步。由于返波形成的反馈自动满足相位条件，因此只要行波管的电子注电流大到能够满足起振的幅度条件，就会起振而破坏行波管的正常放大工作。这种慢波结构限制了行波管的功率提高。
[0003]为了抑制螺旋线行波管的返波振荡，国内外的科学家和工程师开展了大量工作。主要的技术路线是将螺旋线分为多段，每段与电子注同步的返波频率都不同以破坏起振条件。公开号为CN101728183A名称为“一种用于X波段空间行波管的慢波结构”的中国专利申请公开了这样一种慢波结构。这种慢波结构的特点在于，输出段螺旋线具有螺距不同的多个段，例如，其依次包括长度为43mm、螺距为0.57mm的开始段;长度为2.12mm、螺距为0.53mm的过渡段；以及长度为10.58mm、螺距为0.49mm的结束段，如图4所示。这种慢波结构可以在一定条件下抑制返波振荡，但是工艺相对复杂且不能彻底解决有返波同步频率存在的问题。
[0004]因此，需要提供一种能够不存在返波振荡的行波管慢波结构。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种螺旋线慢波结构以便解决现有行波管慢波结构中存在的返波振荡问题。
[0006]根据本发明的一个方面，提供一种螺旋线慢波结构，包括管壳，螺旋线和位于螺旋线和管壳之间的夹持杆，其中，该螺旋线慢波结构进一步包括位于管壳内壁上的角向不对称设置至少一个金属加载。
[0007]优选地，所述至少一个金属加载分别设置在一个或多个位于夹持杆间的管壳内壁部分上。
[0008]优选地，至少一个位于夹持杆间的管壳内壁部分上没有设置金属加载。
[0009]优选地，至少一个金属加载设置在一个位于夹持杆间的管壳内壁部分上。
[0010]优选地，所述各金属加载与所述管壳一体形成，或通过焊接形成在管壳内壁上。
[0011]优选地，所述各金属加载具有相同或不同的剖面结构。
[0012]优选地，所述金属加载的剖面形状为矩形、圆形、楔形、凹形或凸形。
[0013]优选地，所述金属加载与螺旋线间的距离以及金属加载的张角被设计为使电子速度线不与该螺旋线慢波结构的色散曲线中返波部分相交。
[0014]优选地，所述螺旋线的外表面与金属加载的内端面之间的最小距离在0.02mm和螺旋线外半径的35%之间。
[0015]根据本发明的另一方面，提供一种包括如上所述螺旋线慢波结构的行波管。
[0016]根据本发明的螺旋线慢波结构，通过在任意夹持结构的螺旋线慢波结构中设置角向不对称金属加载，形成了电磁波传输的禁带，避免电子注和返波互作用，从而抑制返波振荡。本发明的慢波结构可以在常规线切割管壳制造工艺条件下方便地进行制造。
[0017]采用根据本发明的慢波结构，克服了现有慢波结构存在返波振荡的缺陷，提高慢波结构的工作稳定性。采用根据本发明慢波结构的行波管可以大电子注电流工作，提高了行波管的功率，显著改善其放大性能。
[0018]采用根据本发明的慢波结构，通过将金属加载块与管壳一体形成，可在不增加工艺步骤的情况下，获得消除返波振荡的慢波结构。与现有技术中通过改变螺旋线螺距消除返波振荡的慢波结构相比，本发明的慢波结构组装工艺简单，可显著提高工艺一致性和慢波结构的稳定性，也即可显著提高采用根据本发明慢波结构的行波管的性能稳定性。
【附图说明】
[0019]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0020]图1为现有螺旋线慢波结构的立体示意图；
[0021 ]图2为图1所示螺旋线慢波结构的剖面图；
[0022]图3为图1所示螺旋线慢波结构的色散特性；
[0023]图4为现有慢波结构变化的节距的示意图；
[0024]图5为根据本发明第一实施例的螺旋线慢波结构的剖面图；
[0025]图6为图5所示慢波结构的色散特性；
[0026]图7A-7C为根据本发明第一实施例的变形的螺旋线慢波结构的剖面图；
[0027]图8A-8B根据本发明第二实施例的螺旋线慢波结构的剖面图；
[0028]图9A-9B根据本发明第三实施例的变形的螺旋线慢波结构的剖面图；
[0029]图10为本发明实例的慢波结构的色散特性和电子速度线；
[0030]图11为本发明实例的慢波结构和对照例相光速比与频率关系的比较；
[0031]图12为本发明实例的慢波结构和对照例耦合阻抗与频率关系的比较。
【具体实施方式】
[0032]为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0033]由于角向不对称金属加载的引入，调节金属加载块与螺旋线的距离和加载块的宽度可以有效的改变禁带的宽度从而影响抑制返波振荡的效果。该距离应在可以保证在任何机械或热应力下不发生金属加载块和螺旋线的机械接触的最小距离到35%螺旋线外半径之间。
[0034]图5示出了根据本发明第一实施例的一种角向不对称金属加载螺旋线慢波结构的剖面图。该螺旋线慢波结构包括管壳I，夹持杆2，螺旋线3和位于夹持杆间管壳内壁上的一个金属加载块4ο该慢波结构中，!^为螺旋线内半径，rb为螺旋外半径，r。为管壳内半径，α为夹持杆的张角。梯形的金属加载块4优选与管壳一体地形成在夹持杆间。该梯形加载块内端面为与螺旋线同心的圆形，O为金属加载块的内端面半径，Θ为金属加载块的张角。如图6所示，在慢波结构的管壳和螺旋线间角向不对称设置的金属加载块，在螺旋线慢波结构中形成了禁带，可以防止电子注和返波同步从而抑制了返波振荡。调节金属加载块与螺旋线间的距离d = mb以及金属加载块的张角Θ可以有效的改变禁带的宽度使电子速度线不和螺旋线慢波结构的色散曲线中返波部分相交，只与慢波结构色散曲线前向波相交。如果要求的禁带宽度一定，则金属加载的张角Θ越大，螺旋线的外表面与金属加载的内端面之间的最小间隙d也越大。调节金属加载块与螺旋线间的距离可以有效的改变禁带的宽度从而影响抑制返波振荡的效果。该距离应在可以保证在任何机械或热应力下不发生金属加载块和螺旋线的机械接触的最小距离，例如0.02mm到35%螺旋线