專利名稱：一種角向加載螺旋線的圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于真空電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及行波管放大器件。
背景技術(shù)：
行波管是真空電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)最為重要的一類微波源，具有大功率、高效率、高增 益、寬頻帶和長壽命的特點，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、制導(dǎo)、衛(wèi)星通信、微波遙感、輻射測量等領(lǐng)域， 其性能直接決定著裝備的水平。行波管的核心部件是慢波結(jié)構(gòu)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，我國航天工程和新一代衛(wèi)星迫切需求大量具有寬 頻帶、高效率、重量輕、體積小的毫米波源。然而，隨著工作頻率的升高，特別是在短毫米波 波段甚至是太赫茲波段，器件的尺寸將變得很小，從而導(dǎo)致采用傳統(tǒng)的慢波結(jié)構(gòu)的行波管 由于束流密度、散熱以及加工工藝的限制，使得器件的輸出功率嚴(yán)重下降，無法滿足裝備系 統(tǒng)對功率和帶寬的要求。所以，開展可工作在高頻率波段的新型慢波線行波管的研究具有 十分重大的意義。介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，如圖1所示，即在傳統(tǒng)的介質(zhì)加載圓波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)的角向周期性地插入一系列金屬柱，是一種結(jié)構(gòu)簡單，加工精度高的慢波結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主 要有功率容量大、加工比較容易以及輸入輸出結(jié)構(gòu)相對簡單的優(yōu)點。根據(jù)國外相關(guān)的報道， 該結(jié)構(gòu)在毫米波段很有潛力成為一種高功率輻射源。但是，因為介質(zhì)的相對介電常數(shù)、有限，其慢波比不可能很大，根據(jù)能量守恒定 律可知器件的工作電壓和相速成正比，所以，當(dāng)相速過大時，會導(dǎo)致器件的工作電壓過大， 非常不利于裝備的小型化。此外，如果選擇介電常數(shù)較大的材料，耦合阻抗也會嚴(yán)重下降， 從而導(dǎo)致整管的功率和增益下降。
發(fā)明內(nèi)容為了提高介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，以及降低工作電壓，從而使 得行波管具有更高的效益和增益，本實用新型提出了一種適用于小型化毫米波行波管的角 向加載螺旋線的圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。本實用新型所采用的技術(shù)方案是一種角向加載螺旋線的圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包括一個半徑為R1的圓波 導(dǎo)4、N個相同的螺旋線3和兩個外半徑為R1,內(nèi)半徑為&的圓環(huán)介質(zhì)片1和2 ；兩個圓環(huán) 介質(zhì)片1和2分別固定于圓波導(dǎo)4的兩個端面，N個相同的螺旋線3均連接于兩個圓環(huán)介 質(zhì)片1和2之間，使得N個相同的螺旋線3在圓波導(dǎo)4內(nèi)部呈角向均勻分布狀。更為具體 地說，N個相同的螺旋線3呈角向均勻分布在圓波導(dǎo)4內(nèi)部外徑為R2、內(nèi)徑為R3的圓環(huán)柱狀 空間內(nèi)，其中相鄰兩個螺旋線3之間的角向距離φΡ為2 π /隊且R1 < & < R3 < R5 ；兩個圓 環(huán)介質(zhì)片的空心部分以及所有螺旋線環(huán)繞的空間部分共同形成電子注通道5。上述技術(shù)方案中，所述螺旋線3的橫截面形狀可以呈圓形、圓環(huán)扇形、正方形或者 各種多邊形的形狀；所述圓環(huán)介質(zhì)片1，2的材料可以是氧化鋁陶瓷或者氮化硼陶瓷。[0010]本實用新型提供的角向加載螺旋線的圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的介質(zhì)加載角向周 期圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)相比，角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)能夠有效地提高互作用效率，降 低工作電壓，有利于器件的小型化；可以使器件工作于短毫米波和太赫茲波段，同時可以有 效提高耦合阻抗，并且色散曲線較為平坦，使得采用該新型慢波結(jié)構(gòu)的行波管具有更高的 增益和互作用效率，并在太赫茲波段獲得較大輸出功率；此外，本實用新型能夠大大降低相 速，從而可以采用較低的工作電壓，有利于器件的小型化。

圖1是現(xiàn)有的介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是部分填 充介質(zhì)的金屬圓波導(dǎo)，2是角向周期排列的金屬柱，3是電子注通道。1、2是一對介質(zhì)圓環(huán) 片，3是角向均勻分布的螺旋線，4是金屬圓波導(dǎo)，5是電子注通道。圖2是本實用新型提供的角向加載螺旋線圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實用新型提供的角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的橫截面的二維尺寸 標(biāo)注圖圖4是發(fā)明提供的角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)和介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo) 慢波結(jié)構(gòu)的色散特性比較圖。圖5是發(fā)明提供的角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)和介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo) 慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗比較圖。在圖4和圖5中曲線1和曲線3分別是角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散 特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線2和曲線4分別是介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色 散特性曲線和耦合阻抗曲線。
具體實施方式
一種角向加載螺旋線的圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包括一個半徑為R1的圓波 導(dǎo)4、N個相同的螺旋線3和兩個外半徑為R1,內(nèi)半徑為&的圓環(huán)介質(zhì)片1和2 ；兩個圓環(huán) 介質(zhì)片1和2分別固定于圓波導(dǎo)4的兩個端面，N個相同的螺旋線3均連接于兩個圓環(huán)介 質(zhì)片1和2之間，使得N個相同的螺旋線3在圓波導(dǎo)4內(nèi)部呈角向均勻分布狀。更為具體 地說，N個相同的螺旋線3呈角向均勻分布在圓波導(dǎo)4內(nèi)部外徑為R2、內(nèi)徑為R3的圓環(huán)柱狀 空間內(nèi)，其中相鄰兩個螺旋線3之間的角向距離φΡ為2 π /隊且R1 < & < R3 < R5 ；兩個圓 環(huán)介質(zhì)片的空心部分以及所有螺旋線環(huán)繞的空間部分共同形成了電子注通道5。上述技術(shù)方案中，以W波段為例，所述角向周期加載螺旋線圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)各部件尺 寸為金屬圓波導(dǎo)4半徑R1為1毫米，螺旋線3個數(shù)N為8個，螺旋線3縱向周期L為0. 2 毫米，螺旋線3橫截面寬度d為0. 1毫米，螺旋線3橫截面角度φ^,為27度，螺旋線3 上圓弧半徑&為0. 75毫米，螺旋線3下圓弧半徑R3為0. 65毫米。設(shè)定結(jié)構(gòu)尺寸(單位 mm) R2ZR1 = 0. 75，(R2-R3) /R1 = 0. l，L/% = 0. 2，仇/辦=0.4, N = 8，隊=1。利用三維電磁 仿真軟件對角向周期加載螺旋線圓波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，獲得其色散特性和耦合阻抗， 并聯(lián)合介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo)一起進(jìn)行相互比較，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，仿真中我 們忽略固定螺旋線的介質(zhì)圓環(huán)片。其中，曲線1和曲線3分別是角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢 波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線2和曲線4分別是介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的色散特性曲線和耦合阻抗曲線。從圖5中曲線1、曲線2的比較可以明顯看出當(dāng)兩種結(jié)構(gòu)的尺寸相同的情況下， 角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的工作頻帶范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo)慢波 結(jié)構(gòu)的工作頻帶范圍，并且相速也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的相速，同 時，色散曲線也更加平坦。這就表明，角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)能夠有效地提高互作 用效率，降低工作電壓，有利于器件的小型化。從圖6中曲線3、曲線4比較可知當(dāng)兩種結(jié)構(gòu)的尺寸相同的情況下，在工作頻段 內(nèi)，角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于介質(zhì)加載角向周期圓波導(dǎo)慢波結(jié) 構(gòu)的耦合阻抗。這說明，采用角向加載螺旋線圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的行波管能夠獲得更高的增 益和互作用效益。這說明該發(fā)明能夠有效提高耦合阻抗，色散曲線變得更加平坦，從而使得行波管 的增益和效率得以提高；此外，由于相速的降低，使得器件的工作電壓大大降低，有利于在 小型化器件中的應(yīng)用。
權(quán)利要求1.一種角向加載螺旋線的圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，包括一個半徑為R1的圓波導(dǎo)(4)、N個相同 的螺旋線⑶和兩個外半徑為R1,內(nèi)半徑為&的圓環(huán)介質(zhì)片(1和2)；兩個圓環(huán)介質(zhì)片(1 和2)分別固定于圓波導(dǎo)的兩個端面，N個相同的螺旋線(3)均連接于兩個圓環(huán)介質(zhì)片 (1和2)之間，使得N個相同的螺旋線(3)在圓波導(dǎo)內(nèi)部呈角向均勻分布狀；更為具體 地說，N個相同的螺旋線(3)呈角向均勻分布在圓波導(dǎo)⑷內(nèi)部外徑為R2、內(nèi)徑為R3的圓環(huán) 柱狀空間內(nèi)，其中相鄰兩個螺旋線⑶之間的角向距離φΡ為2 π /N，且R1 < & < R3 < & ； 兩個圓環(huán)介質(zhì)片的空心部分以及所有螺旋線環(huán)繞的空間部分共同形成電子注通道(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角向加載螺旋線的圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述螺旋 線(3)的橫截面形狀是圓形、圓環(huán)扇形、正方形或者各種多邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角向加載螺旋線的圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述圓環(huán) 介質(zhì)片(1和2~)的材料是氧化鋁陶瓷或者氮化硼陶瓷。
專利摘要一種角向加載螺旋線的圓波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，屬于真空電子技術(shù)領(lǐng)域。包括一個半徑為R1的圓波導(dǎo)、N個相同的螺旋線和兩個外半徑為R1，內(nèi)半徑為R5的圓環(huán)介質(zhì)片；兩個圓環(huán)介質(zhì)片分別固定于圓波導(dǎo)的兩個端面，N個相同的螺旋線均連接于兩個圓環(huán)介質(zhì)片之間，使得N個相同的螺旋線在圓波導(dǎo)內(nèi)部呈角向均勻分布狀；兩個圓環(huán)介質(zhì)片的空心部分以及所有螺旋線環(huán)繞的空間部分共同形成電子注通道。本實用新型可工作于短毫米波和太赫茲波段，能有效提高耦合阻抗，并且色散曲線較為平坦，使得采用該新型慢波結(jié)構(gòu)的行波管具有更高的增益和互作用效率，并獲得較大輸出功率；此外，本實用新型能夠大大降低相速，從而可以采用較低的工作電壓，有利于器件的小型化。
文檔編號H01J23/26GK201877394SQ20102066683
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月19日
發(fā)明者劉漾, 宮玉彬, 徐進(jìn), 段兆云, 王文祥, 趙國慶, 魏彥玉 申請人:電子科技大學(xué)