一种新型曲折波导的制作方法

本发明属于微波真空电子器件技术领域，具体涉及一种加入超材料的新型曲折波导。

背景技术：

行波管是微波、毫米波频段应用最广泛的电真空器件之一，曲折波导具有高功率、宽频带、高增益等优点。在高功率微波领域，它可以作为回旋波放大器件的输入级。慢波系统作为行波管中注－波互作用的核心部件，其性能直接决定了行波管的技术水平。

传统的螺旋线和耦合腔结构各自都遇到了严重的障碍。螺旋线行波管虽然具有倍频程以上的带宽，但其热容量小，散热能力低而无法提供更大的输出功率.耦合腔行波管虽然具有比螺旋线高一个数量级的功率电平，但带宽窄，一般在10％左右。在毫米波段，螺旋形和耦合腔行波管尺寸很小，加工、装配精度要求高，成品率低成本高，加大了进一步发展的难度。因此，寻找能工作在毫米波段、性能优良的新型行波管慢波结构就显得十分必要了。曲折波导，是一类新型全金属慢波线，该慢波线在实现大功率容量的同时，既有良好的带宽性能，并且机械强度高、散热性好、功率容量大以及输入输出耦合结构相对简单等优点。在带宽毫米波通讯等领域具有很好的应用前景。但是，由于曲折波导属于基波为返向波的系统，工作在负一次空间谐波上，因此耦合阻抗低，而耦合阻抗作为表征慢波系统和电子相互作用强弱的参量，与行波管的增益和效率直接相关。由于曲折波导的耦合阻抗降低，使得行波管整体的增益和效率被限制了。并且传统的曲折波导在毫米波和太赫兹频段上，慢波结构的尺寸非常小，小尺寸的慢波结构限制了电子束通道半径和电流，会降低慢波系统的增益和输出功率。因此，迫切需要有能增加尺寸和耦合阻抗又不减少带宽的慢波结构出现。在“Metamaterial-Enhanced Traveling Wave Tubes”(Vacuum Electronics Conference,IEEE International，199-200页，作者：Arash Rashidi and Nader Behdad)(如图1所示)一文中研究了加入超材料的曲折波导慢波结构的高频特性，曲折波导由一系列圆弧弯曲波导和直波导首尾连接而成曲折波导结构；在圆弧弯曲波导的首尾连接而成，圆弧弯曲波导的中心位置设置有一定厚度的扇形超材料层；在曲折波导结构的中轴对称线与直波导壁的交点处开有圆形通孔；然后在所有相邻直波导壁的两个通孔之间用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管连接，形成电子注通道。由于加入了扇形超材料层，该曲折波导的归一化相速会往高频方向移动，因此能增大曲折波导的尺寸；但是该曲折波导的耦合阻抗较低，扇形超材料层不易加工，因此设计一种新型超材料进一步提高耦合阻抗很有必要。

技术实现要素：

本发明在传统曲折波导的基础上，通过在其圆弧弯曲波导中心位置加入超材料薄片，同时减小直波导尺寸，使得该曲折波导在增大慢波结构尺寸的同时增大耦合阻抗。

为实现上述发明目的，本发明的一种新型曲折波导由一系列的圆弧弯曲波导与直波导首尾连接而成，在直波导宽边的中轴对称线的位置处开有圆形通孔，相邻两个直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管相连接，形成电子注通道。

所述圆弧弯曲波导的中心位置设置有一超材料薄片，该薄片为矩形薄片，厚度为s1，满足0.14mm<s1<0.3mm。

所述直波导的长、宽均小于圆弧弯曲波导。

本发明提出的一种新型曲折波导，比普通曲折波导尺寸增大1.2倍，对曲折波导的加工提供了便利，也使电子束通道加大，增加互作用效率和输出功率。并且通过减小直波导长、宽尺寸，使得其耦合阻抗更高，普通曲折波导的耦合阻抗只有5欧姆，而该结构可以达到8欧姆。

附图说明

图1是背景技术结构示意图；

图2(a)是本发明实例的内部空间示意图，图2(b)是本发明实施例的结构示意图；

图3(a)是本发明实施例与背景技术的色散特性对比图，图3(b)是本发明实施例与背

景技术的耦合阻抗对比图。

附图标号说明：1为圆弧弯曲波导，2为直波导，3为电子注通道，4为超材料薄片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用来解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例如图2所示，由一系列的圆弧弯曲波导与直波导首尾连接而成，在直波导宽边的中轴对称线的位置处开有圆形通孔，相邻两个直波导的圆形通孔之间，采用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管相连接，形成电子注通道。

圆弧弯曲波导的中心位置设置有一矩形超材料薄片，其厚度为S1＝0.2mm，介电常数ε＝-3，磁导率μ＝-4的新型材料。加入超材料薄片使得曲折波导的尺寸增大，很好的解决了小尺寸的慢波结构限制了电子束通道半径和电流，导致降低慢波系统的增益和输出功率的难题，同时尺寸增加也使其能够更方便的加工。相比于背景技术的扇形设计，本发明矩形薄片更易于加工，节省生产成本。

本发明曲折波导的尺寸参数如图2所示，圆弧弯曲波导为半圆形弯曲波导，其外半径r1＝1.46mm，内半径r2＝0.06mm，宽边长度width＝6.59mm，窄边长度b＝1.1mm；直波导的宽边长度a1＝6.2mm，窄边长度b1＝0.6mm，高度H＝1.2mm，电子注通道半径R＝0.45mm。

对新型曲折波导进行测试，得到其色散特性和耦合阻抗，并与背景技术的结果进行比较，如图3所示。可以看出，在Ka波段，本发明实例具有比背景技术更低的归一化相速，曲线比背景技术更平坦，能增加频带范围，而在29-31GHz波段本发明实例的耦合阻抗却要比背景技术的耦合阻抗高3欧姆。

图3的结果说明通过减小直波导的长边和宽边，可以提高曲折波导的工作频率和耦合阻抗，加入超材料薄片可以增大曲折波导的尺寸参数。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但更应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。