一种平面金属薄片曲折间隙慢波结构及其加工方法

本发明属于行波放大器，更为具体地讲，涉及一种平面金属薄片曲折间隙慢波结构及其加工方法。

背景技术：

1、平面行波器件是结合真空器件和固态器件而提出的一种具有体积小、重量轻、电压低、易于微细加工和批量生产等优点的真空器件。有赖于mems制备工艺的引入，微带线平面慢波结构在近些年取得了较为丰富的成果，进一步推动了行波管慢波结构平面化、小型化的发展，同时也进一步验证了其尺寸小、电压低、易于大批量制备等优势。

2、但随着研究的深入，也暴露了一些问题，这些结构大多包含介电衬底，然而，在介质基板上制作金属层时，无论是采用磁控溅射还是化学气相沉积，金属层的厚度都不超过10μm。而如此薄的金属层在电子轰击或高温焊接、排气时，都会面临金属层烧蚀或脱落的风险，从而直接损毁器件。另外，由于微带线结构包含一块较大的介质基板，而电磁波在传输时电场会倾向于集中在介质内部，从而不可避免地产生较大的介质损耗。此外，由于采用表面波工作，在实际工作中，电子注的流通很难达到100％，会有部分电子打到慢波结构表面，容易在介质基板内积累，引起电位下降从而改变电子注的聚焦，导致更多的电子注失控轰击到表面，从而形成恶性循环，此过程不但会毁坏介质基板影响慢波结构的性能，而且在严重的情况下会导致行波管无法工作。虽然微带平面慢波结构容易加工，但是仍面临着良品率低、介质金属化难、种子层材料损耗大、粗糙度较高等问题，这些都制约着微带线慢波结构的进一步发展。

3、在2018年05月29日授权公告的、公告号为cn106340433b、名称为《一种介质嵌入的曲折金属带高频结构》的中国发明专利中，公开了一种慢波结构，通过将微带高频结构的介质基板(衬底)替换为与曲折金属带具有相同变化周期的介质支撑杆，同时介质支撑杆部分嵌入曲折金属带，从而形成一种嵌入介质的曲折金属带高频结构。将介质基板替换为介质支撑杆后，介质大幅减少，使得介质面向电子注的暴露面积大幅减小，且介质支撑杆部分嵌入到曲折金属带内，进一步减小了介质的暴露面积，从而降低了电子轰击到介质基底的几率，避免电荷累积效应的产生。同时，为使介质支撑杆能够嵌入曲折金属带，需采用比印制在介质基板上的曲折金属带相对更厚的金属带(曲折金属带厚度t1与介质支撑杆厚度t2的比值(t1/t2)在0.5和2之间)，由于厚度的增加，使得曲折金属带更能承受电子轰击，提高了结构的稳定性，同时，这也增加了二者的接触面积，使得该发明具有更好的导热性。此外，与现有的由介质基板与曲折金属带组成的平面微带高频结构相比，该发明还具有更宽的冷带宽和更高的耦合阻抗。该发明专利解决了介质基板(衬底)带来的问题，然而，由于介质支撑杆需要与曲折金属带进行相同的弯曲即相同变换周期，其加工较为困难。

4、在2020年06月12日授权公告的、公告号为cn108389766b、名称为《一种微带周期曲折线慢波结构》的中国发明专利中，如图1所示，采用直线结构的介质支撑杆2来支撑周期微带曲折线1，这样加工难度大大降低，并增加了设计的灵活性。同时，采用金刚石材料制成介质支撑杆，与现有的曲折带状介质支撑杆只能采用半导体工艺才能实现，使用的材料是硅作为基底相比，等效介电常数可以更小(硅的介电常数为11.5，而金刚石的为5.7)，耦合阻抗相比而言更高。此外，嵌入方式的曲折带状介质支撑杆改成直线结构的介质支撑杆直接支撑在周期微带曲折线的下表面，将会使得微带周期曲折慢波结构内部散热的问题变得较为严重，但由于本发明采用的金刚石具有良好的导热性，这样也很好的兼顾了这个问题。然而，该发明中，尽管减小了介质衬底的面积，以及电荷积累问题，但是仍然存在介电损耗，且周期微带曲折线不易加工，并安装到介质支撑杆上，

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种平面金属薄片曲折间隙慢波结构及其加工方法，以有效解决由于电介质衬底导致的介电损耗、电荷积累的问题，且加工工艺更简单，厚度不受加工工艺限制，以适用于小型化平面真空电子器件。

2、为实现上述发明目的，本发明平面金属薄片曲折间隙慢波结构，其特征在于，包括：

3、一金属外壳，其内部有从左端到右端的矩形结构作为注波互作用的通道，左端、右端向前侧方各有一脊波导，脊波导作为输入输出结构耦合电磁波到注波互作用通道或耦合电磁波出注波互作用通道；

4、一片有一定厚度的平面金属片，其形状为中间段与注波互作用通道的宽度相等，左端、右端向前侧方延伸，宽度与脊波导宽度相同；

5、平面金属片固定在金属外壳内并平行于矩形结构上下面，中间段焊接固定下外壳注波互作用通道部分的槽内，将左端、右端向前侧方延伸部分焊接固定下外壳脊波导部分的槽内；

6、平面金属片中间段长边方向即电子注传播方向上刻有周期性图案的槽，即曲折间隙并形成等周期性结构，带状电子注从平面金属片的上、下表面掠过周期性图案的槽，激励起电磁波与其互作用，平面金属片左端、右端向前侧方延伸部分有逐步加宽的间隙，该间隙与中间段曲折间隙连通。

7、做进一步改进，本发明还提供一种平面金属薄片曲折间隙慢波结构的加工方法，其特征在于分成三部分来加工：

8、(1)、采用两块金属块加工上下金属外壳：一块金属块的下侧，另一块金属块的上侧，通过高速铣床或激光烧蚀加工工艺刻槽，形成左右一个从左端到右端的矩形结构以及左端、右端向前侧方的各一脊波导，其中，从左端到右端的矩形结构作为注波互作用的通道，脊波导作为输入输出结构耦合电磁波到注波互作用通道或耦合电磁波出注波互作用通道；下侧刻槽的金属块为上金属外壳，上侧刻槽的金属块为下金属外壳，上下金属外壳内的槽各为一半，上下合并才能形成完整的注波互作用通道以及脊波导；

9、(2)、切割出一平面金属片，其形状为中间段与注波互作用通道的宽度相等，左端、右端向前侧方延伸，宽度与脊波导宽度相同；

10、将平面金属片经过高温烧制压平去应力后，先采用紫外皮秒激光，沿着平面金属片中间段长边方向即电子注传播方向上刻周期性图案的槽即采用等周期的周期性路径进行切割，得到曲折间隙，平面金属片左端、右端向前侧方延伸部分有逐步加宽的间隙，该间隙与中间段曲折间隙连通；再采用超声波清洗和酸洗清除由于激光局部高温产生的毛刺以及杂质，同时，通过磁控溅射镀铜来改变平面金属片及曲折间隙的表面粗糙度，从而改善电导率；然后通过激光点焊或电阻焊或钎焊的焊接工艺，将其中间段焊接固定下外壳注波互作用通道部分的槽内，将左端、右端向前侧方延伸部分焊接固定下外壳脊波导部分的槽内；

11、(3)、通过钎焊或激光焊焊接上下外壳，并保持良好的气密性。

12、本发明目的是这样实现的：

13、本发明平面金属薄片曲折间隙慢波结构及其加工方法，该结构包含一个中间段刻有周期性图案的槽即曲折间隙并形成等周期性结构的平面金属片，平面金属片左端、右端向前侧方延伸部分有逐步加宽的间隙，该间隙与中间段曲折间隙连通，以及内部有从左端到右端的矩形结构作为注波互作用的通道，左端、右端向前侧方的各一脊波导，脊波导作为输入输出结构耦合电磁波到注波互作用通道或耦合电磁波出注波互作用通道的金属外壳。本发明中的慢波结构不包含介质基底或支撑板，可以有效解决自由电子存在的情况下电介质衬底导致的介电损耗、电荷积累的问题，且平面金属薄片的厚度通常在百微米量级，不受加工工艺的限制。本发明结构的制作可只使用激光焊接和切割加工方法，可以最大程度上简化加工工艺，实现批量化生产。此外，本发明结构的具有低工作电压和平缓的色散曲线，预示着电子注可以在宽的频带内能够与电磁波实现同步，进而实现真空器件的宽频化设计，是一种具有较大潜力的适用于小型化平面真空电子器件的慢波结构。

14、本发明通过去掉传统微带槽线结构下端的介质基板，可以有效避免由于介质基板带来的介电损耗等问题，实际工作情况中的电子注不会发生打到介质基板上导致电荷积累的问题，并且有效解决了慢波结构的散热问题。此外，所提出的这种全金属平面槽线结构在加工和后期转移焊接上具有天然的优势。