本發(fā)明涉及真空電子器件領(lǐng)域，特別涉及一種角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)及該慢波結(jié)構(gòu)的制造方法

背景技術(shù)：

行波管是一類在國防和國民經(jīng)濟(jì)中廣泛應(yīng)用的一種電子器件，具有良好的功率、頻帶和增益性能。慢波結(jié)構(gòu)作為行波管和返波振蕩器等基于分布互作用器件的核心部件，起到降低電磁波的相速度的作用，使電子和電磁波發(fā)生有效的相互作用。因此，慢波結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸確定了高頻場的分布相傳播速度，從而決定了電子注與波的互作用效果，對行波管的性能起著決定性的影響。

螺旋線是行波管最常用的慢波結(jié)構(gòu)，如圖1、2所示，現(xiàn)有的單幾何周期螺旋線慢波結(jié)構(gòu)由金屬管殼1ˊ、介質(zhì)夾持桿2ˊ和螺旋線3ˊ組成，從橫截面看來整體為角向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)。其中夾持桿為角向?qū)ΨQ設(shè)置的三個(gè)品字形結(jié)構(gòu)，從二維視圖可知，慢波結(jié)構(gòu)為角向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，夾持桿和螺旋線之間為平面與弧面之間的接觸方式，接觸面積很小，不利于螺旋線電子截獲產(chǎn)生熱量的傳導(dǎo)擴(kuò)散。

在大功率工作時(shí)，該慢波結(jié)構(gòu)存在兩項(xiàng)主要技術(shù)問題：第一，大功率一般需要高電壓或大電流，常規(guī)的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)中，高電壓線與色散中返波線耦合阻抗較大的點(diǎn)相交，大電流會(huì)也容易產(chǎn)生返波振蕩，破壞行波管無法正常工作；第二，由于常規(guī)的螺旋線為金屬帶繞制而成，從橫截面看在螺旋線外側(cè)任意位置都為弧面，但與之連接的介質(zhì)桿為平面結(jié)構(gòu)，兩者之間的接觸面積小，接觸熱阻大，截獲電流增大時(shí)，不利于熱量的導(dǎo)出，螺旋線容易燒毀。

如圖3所示，中國專利：一種不對稱金屬加載螺旋線慢波結(jié)構(gòu)(申請?zhí)枺?01511020383.X)，利用在金屬管殼上加載較大尺寸的非對稱加載金屬結(jié)構(gòu)4ˊ，通過靠近螺旋線在色散曲線中產(chǎn)生π模截止頻帶，這種新結(jié)構(gòu)有利于克服返波振蕩問題，但散熱問題仍沒有得到改善。

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，這就需要提供一種新型的角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，該新型角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)不但要在色散中產(chǎn)生π模截止頻帶，同時(shí)還要增大螺旋線和夾持桿接觸面積，解決大功率螺旋線行波管的返波振蕩和散熱問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供一種角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)；該螺旋線慢波結(jié)構(gòu)通過在螺旋線和圖形金屬化夾持桿之間設(shè)置金屬加載，金屬加載使得慢波結(jié)構(gòu)具有角向不對稱的特性，在保證了螺旋線色散曲線π模截止頻帶抑制返波振蕩的同時(shí)，螺旋線和圖形金屬化夾持桿之間實(shí)現(xiàn)了大面積有效接觸，大大降低了螺旋線與夾持桿之間的接觸熱阻，解決了現(xiàn)有技術(shù)中大功率螺旋線行波管的返波振蕩和散熱問題，使得角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的散熱能力大幅提高。

本發(fā)明要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提供一種上述角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的制造方法，該制造方法通過曝光顯影、圖形金屬化、微電鑄和夾持焊接等技術(shù)手段，在螺旋線和夾持桿之間引入金屬加載形成角向非對稱慢波結(jié)構(gòu)，在色散曲線中產(chǎn)生π模截止頻帶，在截止頻帶范圍內(nèi)的電磁波不能傳輸，避免了電子注與其發(fā)生互作用，從而抑制返波振蕩，并通過金屬加載實(shí)現(xiàn)了螺旋線和圖形金屬化夾持桿的有效連接，改善了螺旋線和夾持桿的導(dǎo)熱能力；通過該方法得到的角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在返波振蕩抑制和改善散熱這兩項(xiàng)重要技術(shù)能力的同時(shí)提升，顯著提高了螺旋線行波管在大功率方面的性能。

為解決上述第一個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，所述慢波結(jié)構(gòu)包括螺旋線、夾持桿和管殼；所述夾持桿的外側(cè)壁與所述管殼的內(nèi)側(cè)壁連接固定；

所述夾持桿中部分夾持桿的內(nèi)側(cè)壁與所述螺旋線之間通過金屬加載連接固定；所述夾持桿中其余部分夾持桿的內(nèi)側(cè)壁與所述螺旋線之間連接固定。本發(fā)明中在螺旋線慢波結(jié)構(gòu)中選擇單個(gè)或部分夾持桿，在被選擇的夾持桿與螺旋線之間的生長金屬加載結(jié)構(gòu)，形成角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)；該慢波結(jié)構(gòu)在保證了螺旋線色散曲線π模截止頻帶抑制返波振蕩的同時(shí)，螺旋線和圖形金屬化夾持桿之間實(shí)現(xiàn)了大面積有效接觸，大大降低了螺旋線與夾持桿之間的接觸熱阻。

進(jìn)一步的，圖形金屬化的夾持桿根據(jù)金屬加載結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸調(diào)整，所述螺旋線位于所述慢波結(jié)構(gòu)的居中位置。

進(jìn)一步的，在與所述金屬加載相對應(yīng)連接的夾持桿的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有通過曝光光刻并金屬化的第一金屬化鍍層，所述金屬加載與所述第一金屬化鍍層連接。

進(jìn)一步的，所述金屬加載與其相對應(yīng)的經(jīng)過曝光光刻后的螺旋線壁面連接固定。

進(jìn)一步的，所述夾持桿中其余部分夾持桿的內(nèi)側(cè)壁與其相對應(yīng)的經(jīng)過曝光光刻后的螺旋線壁面連接固定。

為解決上述第二個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種用于上述角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括如下步驟：

S1、在螺旋線涂光刻膠；

S2、選取部分夾持桿，去除螺旋線上與所選取夾持桿的接觸區(qū)域的光刻膠；

S3、對所選取的夾持桿與金屬加載的有效接觸區(qū)域?qū)嵤﹫D形金屬化；

S4、利用微電鑄在螺旋線和夾持桿之間形成角向非對稱金屬加載，微電鑄后得到螺旋線、金屬加載和夾持桿的復(fù)合結(jié)構(gòu)；

S5、去除螺旋線上的剩余光刻膠；

S7、對管殼和上述已得到的螺旋線、金屬加載和夾持桿的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行夾持，連接管殼和夾持桿，得到角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，該方法進(jìn)一步的包括如下步驟：

S6、對未選取的其余部分夾持桿內(nèi)側(cè)壁上與螺旋線接觸面的有效接觸區(qū)域?qū)嵤﹫D形金屬化。

進(jìn)一步的，所述步驟S3具體為：

S31、依據(jù)金屬加載的尺寸，對所選取的夾持桿進(jìn)行尺寸調(diào)整，保證螺旋線位于所述慢波結(jié)構(gòu)的居中位置；

S32、對所選取的夾持桿內(nèi)側(cè)壁上與金屬加載的有效接觸區(qū)域曝光光刻，并得到焊點(diǎn)圖形；

S33、圖形化后的上述有效接觸區(qū)域金屬化。

進(jìn)一步的，所述步驟S4具體為：利用定位模具保證曝光顯影后的螺旋線和所選取的圖形金屬化后的夾持桿的相對位置，利用微電鑄在螺旋線和夾持桿之間形成角向非對稱金屬加載，微電鑄后得到螺旋線、金屬加載和夾持桿的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下積極有益的有效果：

1、本發(fā)明中所提供的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)通過在螺旋線和圖形金屬化夾持桿之間設(shè)置金屬加載，金屬加載使得慢波結(jié)構(gòu)具有角向不對稱的特性，在保證了螺旋線色散曲線π模截止頻帶抑制返波振蕩的同時(shí)，螺旋線和圖形金屬化夾持桿之間實(shí)現(xiàn)了大面積有效接觸，大大降低了螺旋線與夾持桿之間的接觸熱阻，解決了現(xiàn)有技術(shù)中大功率螺旋線行波管的返波振蕩和散熱問題，使得角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的散熱能力大幅提高。

2、本發(fā)明中所提供的制造方法通過曝光顯影、圖形金屬化、微電鑄和夾持焊接等技術(shù)手段，在螺旋線和夾持桿之間引入金屬加載形成角向非對稱慢波結(jié)構(gòu)，在色散曲線中產(chǎn)生π模截止頻帶，在截止頻帶范圍內(nèi)的電磁波不能傳輸，避免了電子注與其發(fā)生互作用，從而抑制返波振蕩，并通過金屬加載實(shí)現(xiàn)了螺旋線和圖形金屬化夾持桿的有效連接，改善了螺旋線和夾持桿的導(dǎo)熱能力；通過該方法得到的角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在返波振蕩抑制和改善散熱這兩項(xiàng)重要技術(shù)能力的同時(shí)提升，顯著提高了螺旋線行波管在大功率方面的性能。

3、本發(fā)明中的金屬加載通過曝光顯影和微電鑄方法獲得，為了形成角向非對稱只選擇部分夾持桿，金屬加載使得慢波結(jié)構(gòu)具有角向不對稱的特性，由于金屬加載的結(jié)構(gòu)靠近電子注和電磁波相互作用的區(qū)域，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以增強(qiáng)非角向?qū)ΨQ加載影響的有效果，同時(shí)金屬加載與金屬化夾持桿獲得了更好的接觸。

4、本發(fā)明中的金屬加載結(jié)構(gòu)通過微電鑄工藝在精確定位的螺旋線和圖形金屬化夾持桿之間生長而成，保證了螺旋線和圖形金屬化夾持桿之間的大面積有效接觸，解決了熱耗散的瓶頸，散熱能力大幅提高。

附圖說明

圖1為一種常用慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中A部放大示意圖。

圖3為現(xiàn)有的一種在管殼上加載不對稱金屬結(jié)構(gòu)的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。

圖4為本發(fā)明所提供的一種角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明所提供的一種角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的主視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明所提供的制造方法的流程示意圖圖一。

圖7為本發(fā)明所提供的制造方法的流程示意圖圖二。

圖8為本發(fā)明所提供的制造方法的流程示意圖圖三。

圖9為本發(fā)明所提供的制造方法的流程示意圖圖四。

圖10為本發(fā)明所提供的制造方法的流程示意圖圖五。

圖11為本發(fā)明所提供的制造方法的流程示意圖圖六。

圖12為本發(fā)明所提供的慢波結(jié)構(gòu)與常規(guī)單幾何周期螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線對比圖。

圖13為本發(fā)明所提供的慢波結(jié)構(gòu)與常規(guī)單幾何周期螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的軸線耦合阻抗曲線對比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

如圖4至11所示，一種角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，所述慢波結(jié)構(gòu)包括螺旋線1、夾持桿2和管殼3，夾持桿1的外側(cè)壁與所述管殼3的內(nèi)側(cè)壁連接固定；所述夾持桿2中部分夾持桿2的內(nèi)側(cè)壁與所述螺旋線1之間設(shè)置有金屬加載4；所述夾持桿2中其余部分夾持桿2的內(nèi)側(cè)壁與所述螺旋線1之間連接固定。

本實(shí)施例中只在單個(gè)夾持桿2與螺旋線1之間設(shè)置金屬加載4；在與所述金屬加載4相對應(yīng)連接的夾持桿2的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有通過曝光光刻并金屬化的第一金屬化鍍層，所述金屬加載4與該第一金屬化鍍層連接固定，所述金屬加載4與其相對應(yīng)的經(jīng)過曝光光刻后的螺旋線1壁面連接固定，且所述夾持桿2中其余部分夾持桿2的內(nèi)側(cè)壁與其相對應(yīng)的經(jīng)過曝光光刻后的螺旋線1壁面連接固定。

進(jìn)一步的，圖形金屬化的夾持桿2根據(jù)金屬加載4結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸調(diào)整，保持所述螺旋線1位于所述慢波結(jié)構(gòu)的居中位置。

作為進(jìn)一步改進(jìn)的實(shí)施例，所述夾持桿2中其余部分夾持桿2的內(nèi)側(cè)壁設(shè)有通過曝光光刻并金屬化的第二金屬化鍍層，該第二金屬化鍍層與其相對應(yīng)的經(jīng)過曝光光刻后的螺旋線1壁面連接固定。

如圖4至11所示，一種用于本實(shí)施例中上述一種角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括如下步驟：

S1、如圖6所示，在螺旋線1涂光刻膠；

S2、如圖7所示，選取部分夾持桿2，本實(shí)施例中只選取單個(gè)夾持桿2設(shè)置金屬加載4；去除螺旋線1上與所選取夾持桿的接觸區(qū)域11的光刻膠；具體為，利用掩膜對螺旋線1進(jìn)行光刻，螺旋線1中還需要插入模具，防止光照到軸對稱區(qū)域，如果選取多個(gè)夾持桿2，則進(jìn)行多次光刻，去除光刻膠；

S3、如圖8所示，對所選取的單個(gè)夾持桿2與金屬加載4的有效接觸區(qū)域21實(shí)施圖形金屬化，具體為：

S31、依據(jù)金屬加載4的尺寸，對所選取的夾持桿2進(jìn)行尺寸調(diào)整，保證螺旋線1位于所述慢波結(jié)構(gòu)的居中位置；

S32、對所選取的夾持桿2內(nèi)側(cè)壁上與金屬加載4的有效接觸區(qū)域21曝光光刻，并得到焊點(diǎn)圖形；

S33、圖形化后的上述有效接觸區(qū)域21金屬化，得到第一金屬化鍍層；

S4、如圖9所示，利用定位模具保證曝光顯影后的螺旋線1和所選取的圖形金屬化后的夾持桿2的相對位置，利用微電鑄在螺旋線1和夾持桿2之間形成角向非對稱金屬加載4，由于螺旋線1上的其他部位有光刻膠，夾持桿2本身為絕緣介質(zhì)材料，金屬加載4只會(huì)在螺旋線1去膠后裸露的表面和夾持桿2圖形金屬化之后的有效接觸區(qū)域21之間通過各向同性生長形成，進(jìn)而在微電鑄后得到螺旋線1、金屬加載4和夾持桿2的復(fù)合結(jié)構(gòu)；

S5、如圖10所示，去除螺旋線1上的剩余光刻膠；

S6、對未選取的其余部分夾持桿2內(nèi)側(cè)壁上與螺旋線1接觸面的有效接觸區(qū)域?qū)嵤﹫D形金屬化，并得到第二金屬化鍍層。

S7、如圖11所示，對管殼3和上述已得到的螺旋線1、金屬加載4和夾持桿2的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行夾持，連接管殼3和夾持桿2，即得到本發(fā)明所要獲得的角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明目的，在毫米波波段，一種角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)具體方案的結(jié)構(gòu)尺寸如下(單位：mm)：周期0.75，螺旋線內(nèi)徑0.38，厚度0.08，管殼內(nèi)徑1.1，外徑1.3，品字形夾持桿呈120度均勻角向分布，底座長和寬分別為0.6和0.25，品字形夾持桿長和寬分別為0.39和0.25，金屬加載厚度為0.05，圖形金屬化夾持桿長度比其他加持桿短0.05，為金屬加載預(yù)留空間，使螺旋線在慢波結(jié)構(gòu)中居中放置。利用微波工作室軟件對本發(fā)明的一種角向非對稱螺旋慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，計(jì)算得到色散曲線和軸線耦合阻抗，并與同尺寸傳統(tǒng)螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的冷特性參數(shù)進(jìn)行對比，慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線和軸線耦合阻抗冷特性模擬結(jié)果如圖12和圖13所示。

圖12給出了常規(guī)的傳統(tǒng)螺旋線慢波結(jié)構(gòu)和本發(fā)明所提供的一種新型角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線的對比圖。

作為前向波和返波相交的區(qū)域，傳統(tǒng)螺旋線中，和前向波同步的電壓線必然和返波相交，說明此處的電子速度和電磁波同步，由于返波形成的反饋?zhàn)詣?dòng)滿足相位條件，提高電壓會(huì)增大同步頻率的耦合阻抗，增大電流會(huì)降低返波起振的閾值，作為提高螺旋線行波管功率的兩種途徑都會(huì)產(chǎn)生返波振蕩，從而破壞行波管正常放大工作。

對于本發(fā)明所提供的一種新型角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，非角向?qū)ΨQ的金屬加載結(jié)構(gòu)改變了前向波和返波相交的區(qū)域的色散特性，本例中0.05mm的金屬加載高度可以在周期相移為π的位置產(chǎn)生5.7GHz寬度的止帶，而且止帶寬度隨著金屬加載尺寸的增大而得到進(jìn)一步的擴(kuò)展，但對遠(yuǎn)小于相移π的其他位置的色散特性影響相對較小，金屬加載使得工作區(qū)的附近的色散在一定程度上有所降低。

圖13的對比結(jié)果顯示，對比常規(guī)的傳統(tǒng)螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所提供的一種新型角向非對稱螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的軸線耦合阻抗曲線與常規(guī)的傳統(tǒng)螺旋線在基波差別不大。綜合圖12和圖13的對比結(jié)果，利用本發(fā)明所提供的新型螺旋線結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在獲得大功率放大的同時(shí)，又成功的解決了返波振蕩的問題。

同時(shí)相對于圖3所示，現(xiàn)有的在管殼上加載不對稱金屬結(jié)構(gòu)的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中的金屬加載結(jié)構(gòu)是通過微電鑄工藝在精確定位的螺旋線和圖形金屬化夾持桿之間生長而成，其更有利于振蕩抑制，并且保證了螺旋線和圖形金屬化夾持桿之間的大面積有效接觸，解決了熱耗散的瓶頸，散熱能力大幅提高；綜上本發(fā)明所提供的螺旋線慢波結(jié)構(gòu)同時(shí)解決了大功率螺旋線行波管的上述兩個(gè)技術(shù)難題。

本文中所采用的描述方位的詞語“上”、“下”、“左”、“右”等均是為了說明的方便基于附圖中圖面所示的方位而言的，在實(shí)際裝置中這些方位可能由于裝置的擺放方式而有所不同。

綜上所述，本發(fā)明所述的實(shí)施方式僅提供一種最佳的實(shí)施方式，本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點(diǎn)已揭示如上，然而熟悉本項(xiàng)技術(shù)的人士仍可能基于本發(fā)明所揭示的內(nèi)容而作各種不背離本發(fā)明創(chuàng)作精神的替換及修飾；因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于實(shí)施例所揭示的技術(shù)內(nèi)容，故凡依本發(fā)明的形狀、構(gòu)造及原理所做的等效變化，均涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。