本发明属于带状束行波管慢波系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种类同轴曲折带状注慢波结构。
背景技术
行波管作为一种微波功率器件，具有非常广泛的应用领域，针对不同的应用方式，行波管具有不同的特点，通常来说，行波管的优点有，频带宽、功率大、增益高、效率高、增益大以及寿命长等，但是在绝大多数情况下，一只行波管不能同时具有所有的优点，而是各有所长，具有不同优点的行波管被应用到不同的领域。
慢波结构是为了实现在行波型电子器件中加强运动电子与电磁场的相互作用，使电子流的能量更有效地转换成电磁波的高频能量的装置。慢波结构作为行波管的核心部分，其好坏直接决定着行波管技术水平的优劣。
传统平面慢波结构包括微带型慢波结构和带状慢波结构，其中微带慢波结构的电场能量主要集中于其介质基底中，而且随介质基底的厚度减少和其介电常数的增加而愈加明显，存在传输特性差、带宽窄等缺点；而带状慢波结构的色散与较多结构参数有较大的相关性，在现有的加工条件限制下通常色散较强。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种类同轴曲折带状注慢波结构，金属外壳内层和金属慢波线采用类似于经过曲折折叠的同轴线的结构，采用两根介质支撑杆支撑金属慢波线，可以降低色散特性，在保证大带宽的前提下提高耦合阻抗。
为实现上述发明目的，本发明类同轴曲折带状注慢波结构包括金属外壳、金属慢波线和两根介质支撑杆，其中：
金属外壳分为内层和外层，内层采用曲折波导结构，在曲折波导结构的上下对称平面上设置带状的电子注通道，电子注通道的截面完全包含电子注截面，并在曲折波导结构的相邻两个脊片之间的折弯处设置有开口；
金属慢波线采用金属线折叠得到，折叠路径与金属外壳内层的曲折波导结构的折叠路径相同，在折叠后金属线的上下对称面上打孔形成电子注通道，该电子注通道与金属外壳内层的曲折波导结构的电子注通道重合；
两根介质支撑杆分别固定于金属外壳两侧的内层与外层之间，介质支撑杆的部分侧面从曲折波导结构上设置的开口露出，与金属慢波线进行面接触，对金属慢波线实现夹持，使金属慢波线悬置于金属外壳内腔内。
本发明类同轴曲折带状注慢波结构，包括金属外壳、金属慢波线和两根介质支撑杆，金属外壳分为内层和外层，内层采用曲折波导结构，电子注通道为带状，曲折波导结构的相邻两个脊片之间的折弯处设置有开口；金属慢波线采用金属线折叠得到，折叠路径与金属外壳内层的曲折波导结构的折叠路路径相同，设置相同的电子注通道；两根介质支撑杆分别固定于金属外壳两侧的内层与外层之间，介质支撑杆的部分侧面从曲折波导结构上设置的开口露出，与金属慢波线进行面接触，对金属慢波线实现夹持，使金属慢波线悬置于金属外壳内腔内。本发明可以降低色散特性，在保证大带宽的前提下提高耦合阻抗。
附图说明
图1是本发明类同轴曲折带状注慢波结构的具体实施方式结构图；
图2是图1所示类同轴曲折带状注慢波结构的下半部分结构的放大图；
图3是图1所示类同轴曲折带状注慢波结构的单周期结构图；
图4是曲折波导结构示意图；
图5是图1所示类同轴曲折带状注慢波结构的横向剖面图；
图6是图1所示类同轴曲折带状注慢波结构的纵向剖面图；
图7是本实施例的传输特性仿真结果；
图8是本实施例的归一化相速度仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明类同轴曲折带状注慢波结构的具体实施方式结构图。为了更清楚地展示超宽带平面双注慢波结构的内部结构，图1中将类同轴曲折带状注慢波结构以电子注所在平面为截面进行剖分得到上、下两半部分。图2是图1所示类同轴曲折带状注慢波结构的下半部分结构的放大图。如图1和图2所示，本发明类同轴曲折带状注慢波结构包括金属外壳1、金属慢波线2和两根介质支撑杆3。与常规慢波结构相同，会根据需要在合适位置添加上电子枪的电子入射口4、信号输入口5和信号输出口6。
图3是图1所示类同轴曲折带状注慢波结构的单周期结构图。如图3所示，本发明中金属外壳1分为内层11和外层12，内层11采用曲折波导结构。图4是曲折波导结构示意图。如图4所示，曲折波导沿电场面像曲折线一样进行周期性弯曲，再沿着慢波结构的对称轴线，在金属壁上从头至尾打孔，形成电子注通道。曲折波导是行波管领域的一种常用结构，其详细原理和结构在此不再赘述。为了实现本发明的发明目的，需要对常规的曲折波导进行改进：在曲折波导结构的上下对称平面上设置带状的电子注通道，电子注通道的截面完全包含电子注截面，并在曲折波导结构的相邻两个脊片之间的折弯处设置有开口。本实施例中，曲折波导结构中每个折弯的曲线为两个四分之一圆弧和连接这两个四分之一圆弧的直线段组成。当曲折波导结构发生细节处的改进时，其折叠路径自然也会相应改变。电子注通道截面的具体形状可根据实际需要调整，本实施例中采用矩形。
图5是图1所示类同轴曲折带状注慢波结构的横向剖面图。如图3、图5所示，金属慢波线2采用金属线折叠得到，折叠路径与金属外壳1内层11的曲折波导结构的折叠路径相同，在折叠后金属线的上下对称面上打孔形成电子注通道，该电子注通道与金属外壳内层的曲折波导结构的电子注通道重合，即形成一个电子注通道7。图5中w表示金属慢波线2金属线的厚度，w2表示本实施例中曲折波导结构中折弯处直线段的长度，p为金属线周期结构的单周期长度，we表示电子注通道的宽度，wc表示电子注的宽度，显然we＞wc，wd表示介质支撑杆的宽度，l表示曲折波导结构中脊片中直线段的长度。
如图3和图5所示，两根介质支撑杆3分别固定于金属外壳1两侧的内层11与外层12之间，介质支撑杆的部分侧面从内层11曲折波导结构上设置的开口露出，与金属慢波线2进行面接触，对金属慢波线2实现夹持，使金属慢波线2悬置于金属外壳1内腔内。可见本发明中，金属慢波线2相当于嵌入金属外壳1的内腔中。介质支撑杆3的具体形状可以根据实际需要进行设置，本实施例中采用截面为矩形的直四棱柱。
图6是图1所示类同轴曲折带状注慢波结构的纵向剖面图。图6中w表示金属慢波线2金属线的厚度，a表示金属外壳1的内层11的高度，t为金属线的厚度，te表示电子注通道的厚度，tc表示电子注的厚度，显然te＞tc，td表示介质支撑杆的厚度。如图6所示，本发明中电子注通道贯穿曲折波导结构和金属慢波线。
根据前述对本发明的描述可知，本发明类同轴曲折带状注慢波结构可以看作对一条同轴线进行折叠后，在同轴线外壳(即金属外壳1的内层11)存在折弯的两侧金属外壳中镶嵌两条介质支撑杆，以支撑同轴内芯(即金属慢波线2)悬空而与金属外壳绝缘。显然，在上述结构中，折叠后的同轴线的外壳和内芯均有可能与电子注通道存在重叠区域。因而，本发明实质为上述折叠后的同轴线(包含介质支撑杆)中去除其与电子注通道重叠的非真空区域后所剩下的结构，因此本发明称为类同轴曲折带状注慢波结构。
本发明通过采用类似于同轴线的折叠结构，并通过介质支撑杆对金属慢波线进行双侧夹持，使得金属慢波线与金属外壳绝缘，从而构成双线传输线。在同轴线中基模为tem模式，由于本发明结构与同轴线的相似性，其基模同样与tem模式具有相似性，可以定性分析为qtem模式。本发明中基模的相速度可以根据沿金属线传输的qtem模式电磁波的相速度与周期结构的周期参数确定，在周期结构的周期参数确定的情况下，慢波结构的色散特性由沿金属线传播的qtem模式电磁波的色散特性唯一确定，而qtem模式具有弱色散特征，所以本发明可以实现较宽的工作带宽。
本发明中沿金属慢波线传播的电磁波的模式为qtem模式，与均匀同轴线中的tem模式具有较高的相似性，为了方便分析，可以使用同轴线中的tem模式电场替代上述qtem模式电场进行近似分析。在均匀圆形同轴线中，电场方向由同轴内芯指向同轴外壳，电场大小随场位置到同轴内芯的距离的增大而减小，而本发明中电子注通道穿过“内芯”，因而电子注通道位置场强最强，且电场纵向分量最大。
此外，传统宽带微带型慢波结构普遍存在耦合阻抗较低的问题，其主要原因在于其中电介质材料在腔体中所占比例过大，导致电场能量向无法进行注波互作用的区域里集中，从而导致电子注路径区域的电场较小，根据耦合阻抗的定义可以知道该区域的耦合阻抗较低。本发明相对于传统微带型慢波结构，采用双侧介质支撑杆进行金属慢波线夹持，减少了电介质在慢波结构金属腔内所占空间比例，减弱了电场能量向电介质中集中的趋势，从而实现较高的耦合阻抗。
为了更好地说明本发明的技术效果，对本发明进行仿真验证。图7是本实施例的传输特性仿真结果。图7中s11为输入反射系数，也就是输入回波损耗，s21为正向传输系数，也就是增益。如图7所示，在60ghz以下的较大频率范围内，本实施例的发射系数低于-17db，传输特性较为良好。
图8是本实施例的归一化相速度仿真结果。归一化相速度用于体现慢波结构的色散特性。如图8所示，在60ghz以下的频率范围内，本实施例中传输的不同频率的电磁波的归一化相速度变化较小，与图7结果结合可以说明本发明具有较大的带宽。
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。