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Bㄌ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