專利名稱：全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電真空電子器件，特別是行波管全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)。
螺旋慢波結(jié)構(gòu)是行波管的關(guān)鍵部件，它的作用是使電磁波在它的軸線上的速度變慢。由于螺旋慢波結(jié)構(gòu)的作用，電磁波在其軸線上的速度僅為光速的十分之幾以下，此速度的量級與在行波管中運動在慢波結(jié)構(gòu)軸線上的電子注相當，即滿足所謂同步條件。因此行波管能夠依靠慢波結(jié)構(gòu)把包含于運動在其軸線上的電子注能量轉(zhuǎn)化為在整個慢波結(jié)構(gòu)中傳播的微波或毫米波信號的能量，從而使微波和毫米波得到放大。這就是行波管的工作原理。目前所有的行波管螺旋慢波結(jié)構(gòu)都需要介質(zhì)桿1對螺旋線2進行夾持。
我們把這種螺旋慢波結(jié)構(gòu)稱為常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)。它的結(jié)構(gòu)圖如

圖1所示。在如圖1所示的常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)中，由于螺旋線2上存在高頻導體損耗，因此螺旋線2會發(fā)熱。同時，運動于圖1軸線上的電子注中的部分電子會散逸到螺旋線2上，從而進一步導致螺旋線2發(fā)熱。這些產(chǎn)生于螺旋線2上的熱量，必須通過圖1中的介質(zhì)夾持桿1散發(fā)到管殼以外去，否則就會造成螺旋線2燒斷，引起整管損壞。即便產(chǎn)生于螺旋線2上的熱量還不足以使螺旋線2燒斷，它也會使制備在介質(zhì)夾持桿1上的碳膜的溫度升高。由于碳膜衰減器4的方塊電阻會隨溫度升高而降低，從而改變衰減效果，并引起行波管發(fā)生振蕩，影響行波管正常工作。
由此可見，常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)夾持桿1的導熱性能是整個慢波結(jié)構(gòu)的一個關(guān)鍵因素。在早期的小功率行波管中，由于電子注的總電流和慢波結(jié)構(gòu)中的電磁波總功率都較小，螺旋線2發(fā)熱問題不突出，因此早期小功率行波管中大量使用石英介質(zhì)夾持桿1。由于石英的導熱系數(shù)僅為0.0033W/cm·K，在中、大功率行波管中，石英已被后來發(fā)明的氧化鈹和氮化硼介質(zhì)夾持桿1替代。氧化鈹和氮化硼的導熱系數(shù)分別為0.4W/cm·K和0.105W/cm·K，可見都比石英優(yōu)越。但是，由于行波管的功率越來越大，氧化鈹和氮化硼仍然不能徹底解決常規(guī)慢波結(jié)構(gòu)散熱問題，因此近年來國外嘗試過用紅寶石作為介質(zhì)夾持桿1。但是，要把珠狀紅寶石焊接成為桿狀介質(zhì)夾持桿1，不僅工藝實現(xiàn)很難，而且價格十分昂貴。
本發(fā)明的目的是提供一種慢波結(jié)構(gòu)，其中使用導熱系數(shù)高的全金屬夾持桿。
本發(fā)明的主要特點是包括管殼3和位于管殼3內(nèi)的螺旋線2，在管殼3和螺旋線2之間有金屬夾持桿1’。
本發(fā)明解決了限制行波管功率提高的散熱問題，采用全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)的行波管能實現(xiàn)的功率會比采用常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)的行波管大2-10倍。全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單，相對于環(huán)桿、三葉草等結(jié)構(gòu)簡單的多。這有利于實際行波管的研制與制造，不僅有利于降低行波管的成本，還有利于提高行波管的成品率和一致性。由于金屬夾持桿1’比介質(zhì)夾持桿1容易加工，采用全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)后，會使行波管的成本降低。
圖1是常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明金屬夾持桿螺旋慢波結(jié)構(gòu)示意圖。
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。
參考圖2，本發(fā)明提出的全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)可以完全克服常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)中的散熱問題，這是因為金屬的導熱系數(shù)一般都比陶瓷材料的大，如銅的導熱系數(shù)為0.94W/cm·K。本發(fā)明提出的全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)就是金屬夾持桿1’螺旋慢波結(jié)構(gòu)。
比較圖1和圖2可知，這種全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)就是把常規(guī)慢波結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)夾持桿1換成了金屬夾持桿1’，由于金屬的導熱系數(shù)比介質(zhì)材料高得多，因此，這種慢波結(jié)構(gòu)的散熱能力比常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)好得多。預計采用這種慢波結(jié)構(gòu)的行波管將會獲得比常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)大2倍以上的功率。
應當說明的是，本發(fā)明并非簡單的材料替換，而是實現(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)的基本觀念的改變。自從行波管于二十世紀40年代發(fā)明以來，人們就一直使用如圖1所示的常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)，從未有人敢于把介質(zhì)夾持桿1換成金屬夾持桿1’。其原因在于金屬是導電體，介質(zhì)是絕緣體。過去人們有一個誤解，認為把金屬桿1’放在管殼3和螺旋線2之間，會使傳播于慢波結(jié)構(gòu)中的電磁波“短路”。但這一概念并不是一個絕對成立的概念，這只是一個在特定條件下才成立的概念。對于直流電來說，金屬夾持桿1’確實使螺旋線2與管殼3短路了。對于微波與毫米波等高頻電磁場而言，這一概念就不正確了。在直流情況下，如果空間兩點A、B之間有一導線，這兩點的電位差為零，也就是說A、B兩點確實短路了。但對于微波和毫米波而言，A、B兩點之間的導線是一段傳輸線，它們之間的電位差一般不為零。只有A、B之間導線的長度是某一特殊電磁波的波長的倍數(shù)時，A、B之間的電位差才為零，也就是說，只有對這些波長的電磁波而言，A、B之間才相當于短路。而對于這些波長之外的較寬頻段內(nèi)的電磁波而言，都不可把A、B看為短路。在如圖2所示的全金屬慢波結(jié)構(gòu)中，金屬夾持桿1’也可以看作為一段傳輸線，也并沒有使所有電磁波短路。也就是說，只要我們不讓慢波結(jié)構(gòu)工作于其短路點上，如圖2所示的全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)用金屬夾持桿1’取代介質(zhì)夾持桿1就不影響其成為慢波結(jié)構(gòu)。而要使該結(jié)構(gòu)不工作于其短路點上，可以通過對慢波結(jié)構(gòu)的管殼3內(nèi)徑、螺旋線2的螺距、寬度和厚度以及金屬夾持桿1’扇形橫截面的角寬度等的調(diào)整而實現(xiàn)。比如，在所需的工作頻段內(nèi)，慢波結(jié)構(gòu)已經(jīng)短路，既其耦合阻抗已經(jīng)小于1Ω，可以調(diào)整一下金屬夾持桿1’的角寬度，就可以把短路點移出工作頻段之外。當然，這只是對圖2所示的全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)原理的一個簡單解說。事實上，要對這種慢波結(jié)構(gòu)的慢波特性作出預測，必須對它進行嚴格的理論分析。而由于過去缺乏對螺旋結(jié)構(gòu)中的電磁場進行求解的通用方法，一直還沒有人對如圖2所示的全金屬慢波結(jié)構(gòu)作出理論分析和計算。由于慢波結(jié)構(gòu)是行波管的心臟，而行波管又比較貴，人們不太敢于使用新型慢波結(jié)構(gòu)。這也是過去人們不敢使用金屬夾持桿1’的原因之一。
現(xiàn)在我再對本發(fā)明做一些進一步的描述。圖2中示出的金屬夾持桿1’的橫截面是扇形的，但事實上可以改用圓形、矩形、準矩形、半月形、半圓形等形狀。其中的金屬夾持桿1’的材料可以是任何一種高導熱和高導電的金屬材料。慢波結(jié)構(gòu)的尺寸跟中心工作頻率點和帶寬有關(guān)，一般圖2所示全金屬慢波結(jié)構(gòu)的管殼3內(nèi)徑在3-10mm之間，而由于螺旋線2和金屬夾持桿1’要裝在管殼3內(nèi)，所以其尺寸要與管殼3恰當相配。通過恰當選取螺旋線2的螺距、內(nèi)半徑、寬度、厚度，并通過改變金屬夾持桿1’的數(shù)量及其橫截面的尺寸，該全金屬慢波結(jié)構(gòu)的中心工作頻率可以在L、S、C、X、Ku、K和Ka波段內(nèi)移動，帶寬可以輕松實現(xiàn)一個倍頻程。同時，如上所述，改變上述結(jié)構(gòu)參數(shù)還可以把短路點移出工作頻段之外。也就是說，通過改變上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使慢波結(jié)構(gòu)在工作頻段內(nèi)獲得恰當?shù)穆ㄌ匦浴Ｂㄌ匦缘木唧w表征就是耦合阻抗和相速。通過恰當選取上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖2所示慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗可以在1-250Ω之間，其相速可以是0.05-0.3倍光速。眾所周知，具有這樣慢波特性的慢波結(jié)構(gòu)正好適宜于用在行波管中。具體采用哪些尺寸，需要根據(jù)所需要的慢波結(jié)構(gòu)的中心工作頻率和帶寬決定。當然，具體設(shè)計時，還需要用本人根據(jù)螺旋坐標系理論編寫的計算機程序計算具體慢波結(jié)構(gòu)的慢波特性，從而指導設(shè)計工作。
為了說明本發(fā)明的重要性，現(xiàn)在把全金屬化螺旋慢波結(jié)構(gòu)的優(yōu)點可進一步描述如下首先，全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)使螺旋線2結(jié)構(gòu)，因此保持了螺旋線2的寬帶特性?？梢暂p松實現(xiàn)一個倍頻程以上的帶寬。
其次，全金屬螺旋線2慢波結(jié)構(gòu)免除了使用介質(zhì)夾持桿1的進行夾持的必要性，從而將大大提高慢波結(jié)構(gòu)承受高頻功率損耗和電子轟擊的能力，并進一步使行波管的功率大大提高。也就是說，全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)徹底解決了長期限制行波管功率提高的散熱問題。預計采用全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)的行波管能實現(xiàn)的功率會比采用常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)的行波管大2-10倍。
第三，全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單，相對于環(huán)桿、三葉草等結(jié)構(gòu)簡單的多。這有利于實際行波管的研制與制造，不僅有利于降低行波管的成本，還有利于提高行波管的成品率和一致性。目前國防市場上對相位一致行波管有較大的需求，而限制行波管相位一致性的主要因素之一就是慢波結(jié)構(gòu)太為復雜，造成影響行波管相位一致性的因素過多。因此，如果全金屬化螺旋慢波結(jié)構(gòu)研究成功，將對相位一致行波官起到不可估量的促進作用。
第四，由于全金屬慢波結(jié)構(gòu)承受電子轟擊的能力將會大大提高，這就允許電子注更接近螺旋線2，從而增強相互作用并提高行波管的效率。在毫米波領(lǐng)域，由于慢波結(jié)構(gòu)的尺寸非常小，因而承受電子轟擊的能力非常有限。這要求行波管的電子注流通率非常高。然而，行波管的磁聚焦系統(tǒng)很難做得非常完美，可以說這方面的困難目前已經(jīng)阻礙了毫米波行波管的發(fā)展。而全金屬化慢波結(jié)構(gòu)將放寬對電子主流通率的要求，從而促進毫米波行波管的發(fā)展。
第五，由于全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)中的金屬夾持桿1’的強度、韌性等性能都比介質(zhì)夾持桿1好，所以采用全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)的行波管能實現(xiàn)的可靠性會比采用常規(guī)螺旋慢波結(jié)構(gòu)的行波管好。
最后，由于金屬夾持桿1’比介質(zhì)夾持桿1容易加工，采用全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)后，會使行波管的成本降低。
權(quán)利要求
1.一種行波管全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)，包括管殼(3)和位于管殼(3)內(nèi)的螺旋線(2)，其特征在于在管殼(3)和螺旋線(2)之間有金屬夾持桿(1’)。
2.按權(quán)利要求1所述的行波管全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬夾持桿(1’)是高導熱和高導電的金屬材料。
3.按權(quán)利要求1或2所述的行波管全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬夾持桿(1’)是銅。
4.按權(quán)利要求1或2所述的行波管全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬夾持桿(1’)的橫界面為扇形、圓形、矩形、準矩形、半月形、半圓形。
5.按權(quán)利要求1所述的行波管全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于特性阻抗調(diào)整在1Ω-250Ω之間，相速調(diào)整在0.05-0.3倍光速之間。
6.按權(quán)利要求1所述的行波管全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于管殼(3)內(nèi)徑為3-10毫米。
全文摘要
一種行波管全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu),包括管殼(3)和位于管殼(3)內(nèi)的螺旋線(2),其特征在于在管殼(3)和螺旋線(2)之間有金屬夾持桿(1’)。本發(fā)明解決了限制行波管功率提高的散熱問題。全金屬螺旋慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常簡單,相對于環(huán)桿、三葉草等結(jié)構(gòu)簡單的多。這有利于實際行波管的研制與制造,不僅有利于降低行波管的成本,還有利于提高行波管的成品率和一致性。
文檔編號H01J23/16GK1347132SQ00129588
公開日2002年5月1日 申請日期2000年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月8日
發(fā)明者王自成 申請人:中國科學院電子學研究所