专利名称：一种脊加载曲折矩形槽波导慢波线的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微波真空电子器件技术领域，具体涉及行波管的注-波互作用器件一慢波线。
背景技术：
行波管是真空电子器件在微波频段应用中最为重要的一类器件，其比例占到整个电真空器件的一半左右。慢波结构作为行波管进行注-波互作用激励微波能量的核心部件，其性能优劣直接决定行波管的技术水平。目前应用的螺旋线及其变形(如环杆、环圈结构等)和耦合腔在各自的发展中都遇到了严重的障碍。螺旋线具有弱色散特性，带宽可以达到几个倍频程，但其热容量小，散热能力低而无法提供更大的输出功率；耦合腔是一种全金属慢波结构，其散热能力很强，输出功率电平可比螺旋线高一个量级，但带宽窄。随着工作频率的提高，二者固有的缺陷增大了其进一步发展的难度，特别是螺旋线已达到其热容量的极限。因此，寻求同时具有宽频带、高效率、大功率的新型的慢波结构成为行波管技术向更高频段推进的最迫切需要解决的关键问题。毫米波行波管的特点是尺寸小、加工困难，电磁波传输损耗大，互作用效率低，电子注形成困难等。随着频率的进一步升高，器件尺寸的进一步降低，上述物理问题更加严重限制了行波管在短毫米波及以上波段的有效工作。曲折矩形波导慢波电路是将矩形波导沿波导E面周期性弯曲成直角型曲折线或U 型曲折线所形成的一种全金属慢波系统，它具有结构简单易加工、散热能力好、输入输出易匹配、色散特性平坦、宽带大功率等特性，已经广泛应用于毫米波行波管中。但是，随着行波管向更高的频率发展，金属壁的欧姆损耗将越来越大，由于壁的损耗不仅会消耗一部分能量，降低整管效率，增加散热的压力，还会带来额外的噪声。当频率达到亚毫米波以上时，这些问题将变得越来越突出，以致极大地制约着曲折矩形波导行波管的性能。矩形槽波导，可以看成是由矩形波导沿宽边(E面)中心对称面剖开，各取其一半作为槽波导上、下金属板上的槽的形状在分别在上、下金属板上开槽，并使上、下金属板间隔一定距离而形成。槽波导是一种新型的毫米波亚毫米波传输线，比之矩形波导，它的结构尺寸大，单模工作的频带宽，最重要的是，槽波导是一种半开放结构，特别容易加工；它的壁损耗比矩形波导低得多，损耗系数还会随着频率的升高而降低。将这种慢波线沿槽的方向来回折弯(其方式同样可以是直角折弯和圆弧折弯)形成的曲折槽波导作为行波管慢波线，不仅有自然形成的电子注通道，而且允许带状电子注通过，如图1所示。在带状电子注厚度与通常在曲折矩形波导中运用的圆柱形电子注直径相同的情况下，前者由于宽度的增加，使得电流可以大得多，能够增加输出功率。故曲折槽波导很有潜力成为一种适合于毫米波、亚毫米行波管的新型慢波结构。中国专利曲折槽波导慢波线(申请号 200920082778. 6)对它的优越性做了更全面的描述。将矩形槽波导顺槽的纵向进行周期性来回折弯，就形成曲折矩形槽波导慢波线， 如图1所示，它同样具有槽波导的上述优点；同时由于曲折矩形槽波导慢波线的注-波互作用通道被加工成曲折形状，使得同样性能要求下慢波线整体体积大大缩小。即便是曲折矩形槽波导慢波线相比普通矩形波导慢波线、曲折矩形波导慢波线、 甚至是矩形槽波导慢波线均具有优势，但在信号频率进一步提高，尤其是进入亚毫米波、甚至是太赫兹波段后，曲折矩形槽波导慢波线仍然面临器件尺寸、加工精度等方面的极限挑战。同时，由于曲折槽波导慢波系统的基波同曲折波导一样属于返向波，若曲折槽波导用于行波管则需要工作在负一次空间谐波上，因此耦合阻抗相对较低。耦合阻抗作为表征慢波系统和电子注相互作用强弱的参量，与行波管的增益与效率直接相关。因此，在现有曲折矩形槽波导慢波线器件尺寸条件下，如何进一步提高行波管的工作带宽，如何进一步提高行波管的增益和效率，成为有待解决的技术问题。
发明内容本实用新型提供一种脊加载曲折矩形槽波导慢波线，在相同的尺寸条件下相比现有的曲折槽波导慢波线具有更宽的工作带宽、更高的耦合阻抗，从而更有利于行波管带宽的增加、增益和效率的提高。本实用新型技术方案如下一种脊加载曲折矩形槽波导慢波线，如图2所示，包括相互平行的上金属板1和下金属板2，上、下金属板之间通过位于上、下金属板长边边缘位置的支撑壁6固定在一起。所述两块金属板上均具有曲折槽3，所述曲折槽3由系列弯曲槽部分4和直槽部分5交替首尾连接而成，且上、下金属板的曲折槽相对于上、下金属板之间的中心平面呈镜面对称；所述曲折槽3的弯曲槽部分4的截面形状与矩形波导的截面沿波导宽边(E面)中心线剖开后的半截面形状(分别如图幻相同，所述曲折槽3的直槽部分5的截面形状与矩形单脊波导或矩形双脊波导的截面沿波导宽边(E面)中心线剖开后的半截面形状(如图4所示)相同。 上述技术方案中，所述曲折槽3的弯曲槽部分4可以是U形弯曲槽或是直角弯曲槽；所述侧壁7材料为金属材料、绝缘材料或者微波吸收材料。本实用新型提供的脊加载曲折矩形槽波导慢波线，由于槽波导上、下金属板3和4 之间本身存在有间隔，形成自然的电子注通道，因此脊加载曲折矩形槽波导慢波线无需再专门加工电子注通道。矩形脊波导具有比普通矩形波导宽得多的工作频率范围。普通标准矩形波导的工作频率范围只有1.5 1(最高工作频率与最低工作频率的比值)，而矩形脊波导，不论是矩形单脊波导还是矩形双脊波导，工作频率范围可以达到3. 6 1，是普通矩形波导的一倍多。另一方面，由于脊波导中脊的存在，使波导中的基模电场在脊所在位置得到压缩，电场更为集中，电场强度得到大大增强，因此，如果让电子注在脊的中心位置通过，就可以使电子注与场发生更为强烈的相互作用，这就意味着提高了耦合阻抗。因此，本实用新型将曲折矩形槽波导的曲折槽中弯曲槽部分的截面形状由矩形改成加脊矩形，能够使慢波线的工作带宽进一步拓宽，耦合阻抗得到显著提高，从而更有利于行波管带宽的增加，增益和效率的提尚。本实用新型提供的脊加载曲折矩形槽波导慢波线，相当于在现有的曲折矩形槽波导慢波线的曲折矩形槽的直槽部分沿波导宽边(E面)加载矩形单脊或双脊(图2中标记7所示)而成(而曲折矩形槽的弯曲槽部分不加脊)。由于加载脊的存在，使得本实用新型既具有曲折槽波导慢波线的优越性，又具有脊波导的优点，因此，是一种功率容量更大，工作带宽更宽的新型慢波线，在相同的尺寸条件下相比现有的曲折槽波导慢波线具有更宽的工作带宽、更高的耦合阻抗，从而更有利于行波管带宽的增加、增益和效率的提高。本实用新型可以在一定程度上克服行波管功率与带宽之间的矛盾，特别适合在更高频率波段(亚毫米波段、甚至是太赫兹波段)行波管中应用。
图1是曲折矩形槽波导慢波线结构示意图。图2是本实用新型提供的脊加载曲折矩形槽波导慢波线结构示意图。图3是矩形波导截面示意图。图4是矩形双脊波导截面示意图。图5是实际加工的脊加载曲折矩形槽波导慢波线中的一个金属板结构示意图，另一个金属板与它完全对称。图6本实用新型提供的脊加载曲折矩形槽波导慢波线和普通曲折槽波导慢波线的耦合阻抗对比图。图1至图6中，1是上金属板，2是下金属板，3是曲折槽，4是曲折槽的弯曲槽部分， 5是曲折槽的直槽部分，6是侧壁，7是直槽部分的加载脊；曲线8和曲线9分别代表本实用新型提供的脊加载曲折矩形槽波导慢波线的耦合阻抗和普通曲折槽波导慢波线的耦合阻抗。
具体实施方式
一种脊加载曲折矩形槽波导慢波线，如图2所示，包括相互平行的上金属板1和下金属板2，上、下金属板之间通过位于上、下金属板长边边缘位置的支撑壁6固定在一起。所述两块金属板上均具有曲折槽3，所述曲折槽3由系列弯曲槽部分4和直槽部分5交替首尾连接而成，且上、下金属板的曲折槽相对于上、下金属板之间的中心平面呈镜面对称；所述曲折槽3的弯曲槽部分4的截面形状与矩形波导的截面沿波导宽边(E面)中心线剖开后的半截面形状(分别如图幻相同，所述曲折槽3的直槽部分5的截面形状与矩形单脊波导或矩形双脊波导的截面沿波导宽边(E面)中心线剖开后的半截面形状(如图4所示)相同。上述技术方案中，所述曲折槽3的弯曲槽部分4可以是U形弯曲槽或是直角弯曲槽；所述侧壁7材料为金属材料、绝缘材料或者微波吸收材料。图5给出了实际加工的脊加载曲折矩形槽波导慢波线中的下金属板2的结构示意图，上金属板1与之完全对称。两块金属板相向合起来并加上侧壁6就构成完整的脊加载曲折矩形槽波导慢波线。实际加工时，槽是在具有一定厚度的金属板上挖出来的，因此整体性好，散热强，又有足够的强度。支撑并固定上、下金属板的侧壁6采用氧化铍陶瓷或氧化铍衰减瓷，与上、下金属板焊接在一起。
权利要求1.一种脊加载曲折矩形槽波导慢波线，包括相互平行的上金属板(1)和下金属板0)， 上、下金属板之间通过位于上、下金属板长边边缘位置的支撑壁(6)固定在一起；其特征在于，所述两块金属板上均具有曲折槽(3)，所述曲折槽(3)由系列弯曲槽部分(4)和直槽部分( 交替首尾连接而成，且上、下金属板的曲折槽相对于上、下金属板之间的中心平面呈镜面对称；所述曲折槽(3)的弯曲槽部分的截面形状与矩形波导的截面沿波导宽边中心线剖开后的半截面形状相同，所述曲折槽(3)的直槽部分(5)的截面形状与矩形单脊波导或矩形双脊波导的截面沿波导宽边中心线剖开后的半截面形状相同。
2.根据权利要求1所述的脊加载曲折矩形槽波导慢波线，其特征在于，所述曲折槽的弯曲槽部分为U形弯曲槽。
3.根据权利要求1所述的脊加载曲折矩形槽波导慢波线，其特征在于，所述曲折槽的弯曲槽部分为直角弯曲槽。
4.根据权利要求1、2或3所述的脊加载曲折矩形槽波导慢波线，其特征在于，所述侧壁 (6)材料为金属材料、绝缘材料或者微波吸收材料。
专利摘要一种脊加载曲折矩形槽波导慢波线，属于微波真空电子器件领域。包括相互平行的两块金属板，上、下金属板之间由侧壁支撑并固定在一起，两块金属板上均具有曲折槽，曲折槽由弯曲槽部分和直槽部分交替首尾连接而成，弯曲槽部分的截面形状与矩形波导的半截面形状相同，直槽部分的截面形状与矩形单脊波导或矩形双脊波导的半截面形状相同；且上、下金属板的曲折槽相对于上、下金属板之间的中心平面呈镜面对称。本实用新型既具有曲折槽波导慢波线的优越性，又具有脊波导的优点，是一种功率容量更大，工作带宽更宽的慢波线，在相同的尺寸下相比现有的曲折槽波导慢波线具有更宽的工作带宽、更高的耦合阻抗，从而更有利于行波管带宽的增加、增益和效率的提高。
文档编号H01J23/24GK202150438SQ20112029094
公开日2012年2月22日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者唐涛, 宫玉彬, 岳玲娜, 徐进, 王文祥, 赵国庆, 魏彦玉 申请人:电子科技大学