專利名稱：一種角向加載螺旋線的圓波導慢波結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于真空電子技術領域，涉及行波管放大器件。
背景技術：
行波管是真空電子技術領域內最為重要的一類微波源，具有大功率、高效率、高增 益、寬頻帶和長壽命的特點，廣泛應用于雷達、制導、衛(wèi)星通信、微波遙感、輻射測量等領域， 其性能直接決定著裝備的水平。行波管的核心部件是慢波結構。隨著現代電子技術的飛速發(fā)展，我國航天工程和新一代衛(wèi)星迫切需求大量具有寬 頻帶、高效率、重量輕、體積小的毫米波源。然而，隨著工作頻率的升高，特別是在短毫米波 波段甚至是太赫茲波段，器件的尺寸將變得很小，從而導致采用傳統(tǒng)的慢波結構的行波管 由于束流密度、散熱以及加工工藝的限制，使得器件的輸出功率嚴重下降，無法滿足裝備系 統(tǒng)對功率和帶寬的要求。所以，開展可工作在高頻率波段的新型慢波線行波管的研究具有 十分重大的意義。介質加載角向周期圓波導慢波結構，如圖1所示，即在傳統(tǒng)的介質加載圓波導結 構的角向周期性地插入一系列金屬柱，是一種結構簡單，加工精度高的慢波結構。該結構主 要有功率容量大、加工比較容易以及輸入輸出結構相對簡單的優(yōu)點。根據國外相關的報道， 該結構在毫米波段很有潛力成為一種高功率輻射源。但是，因為介質的相對介電常數、有限，其慢波比不可能很大，根據能量守恒定 律可知器件的工作電壓和相速成正比，所以，當相速過大時，會導致器件的工作電壓過大， 非常不利于裝備的小型化。此外，如果選擇介電常數較大的材料，耦合阻抗也會嚴重下降， 從而導致整管的功率和增益下降。

發(fā)明內容
為了提高介質加載角向周期圓波導結構的耦合阻抗，以及降低工作電壓，從而使 得行波管具有更高的效益和增益，本發(fā)明提出了一種適用于小型化毫米波行波管的角向加 載螺旋線的圓波導慢波結構。本發(fā)明所采用的技術方案是一種角向加載螺旋線的圓波導慢波結構，如圖2所示，包括一個半徑為R1的圓波 導4、N個相同的螺旋線3和兩個外半徑為R1,內半徑為&的圓環(huán)介質片1和2 ；兩個圓環(huán) 介質片1和2分別固定于圓波導4的兩個端面，N個相同的螺旋線3均連接于連個圓環(huán)介 質片1和2之間，使得N個相同的螺旋線3在圓波導4內部呈角向均勻分布狀。更為具體 地說，N個相同的螺旋線3呈角向均勻分布在圓波導4內部外徑為R2、內徑為R3的圓環(huán)柱狀 空間內，其中相鄰兩個螺旋線3之間的角向距離辦為2 π /N，且隊< & < R3 < R5 ；兩個圓環(huán) 介質片的空心部分以及所有螺旋線環(huán)繞的空間部分共同形成電子注通道5。上述技術方案中，所述螺旋線3的橫截面形狀可以呈圓形、圓環(huán)扇形、正方形或者 各種多邊形的形狀；所述圓環(huán)介質片1，2的材料可以是氧化鋁陶瓷或者氮化硼陶瓷。
本發(fā)明提供的角向加載螺旋線的圓波導慢波結構與現有的介質加載角向周期圓 波導慢波結構相比，角向加載螺旋線圓波導慢波結構能夠有效地提高互作用效率，降低工 作電壓，有利于器件的小型化；可以使器件工作于短毫米波和太赫茲波段，同時可以有效提 高耦合阻抗，并且色散曲線較為平坦，使得采用該新型慢波結構的行波管具有更高的增益 和互作用效率，并在太赫茲波段獲得較大輸出功率；此外，本發(fā)明能夠大大降低相速，從而 可以采用較低的工作電壓，有利于器件的小型化。


圖1是現有的介質加載角向周期圓波導慢波結構的結構示意圖。其中，1是部分填 充介質的金屬圓波導，2是角向周期排列的金屬柱，3是電子注通道。1、2是一對介質圓環(huán) 片，3是角向均勻分布的螺旋線，4是金屬圓波導，5是電子注通道。圖2是本發(fā)明提供的角向加載螺旋線圓波導結構的結構示意圖。圖3是本發(fā)明提供的角向加載螺旋線圓波導慢波結構的橫截面的二維尺寸標注 4是發(fā)明提供的角向加載螺旋線圓波導慢波結構和介質加載角向周期圓波導 慢波結構的色散特性比較圖。圖5是發(fā)明提供的角向加載螺旋線圓波導慢波結構和介質加載角向周期圓波導 慢波結構的耦合阻抗比較圖。在圖4和圖5中曲線1和曲線3分別是角向加載螺旋線圓波導慢波結構的色散 特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線2和曲線4分別是介質加載角向周期圓波導慢波結構的色 散特性曲線和耦合阻抗曲線。
具體實施例方式一種角向加載螺旋線的圓波導慢波結構，如圖2所示，包括一個半徑為R1的圓波 導4、N個相同的螺旋線3和兩個外半徑為R1,內半徑為&的圓環(huán)介質片1和2 ；兩個圓環(huán) 介質片1和2分別固定于圓波導4的兩個端面，N個相同的螺旋線3均連接于連個圓環(huán)介 質片1和2之間，使得N個相同的螺旋線3在圓波導4內部呈角向均勻分布狀。更為具體 地說，N個相同的螺旋線3呈角向均勻分布在圓波導4內部外徑為R2、內徑為R3的圓環(huán)柱狀 空間內，其中相鄰兩個螺旋線3之間的角向距離辦為2 π /N，且隊< & < R3 < R5 ；兩個圓環(huán) 介質片的空心部分以及所有螺旋線環(huán)繞的空間部分共同形成了電子注通道5。上述技術方案中，以W波段為例，所述角向周期加載螺旋線圓波導結構各部件尺 寸為金屬圓波導4半徑R1為1毫米，螺旋線3個數N為8個，螺旋線3縱向周期L為0. 2 毫米，螺旋線3橫截面寬度d為0. 1毫米，螺旋線3橫截面角度外,「化為27度，螺旋線3上 圓弧半徑&為0. 75毫米，螺旋線3下圓弧半徑民為0. 65毫米。設定結構尺寸(單位:mm)R2ZR1 = 0. 75，(R2-R3) /R1 = 0. LL/^ = 0. 2，仇/辦=0.4, N = 8，R1 = 1。利用三維電磁仿真軟件對角向周期加載螺旋線圓波導結構進行仿真模擬， 獲得其色散特性和耦合阻抗，并聯(lián)合介質加載角向周期圓波導一起進行相互比較，仿真結 果如圖5和圖6所示，仿真中我們忽略固定螺旋線的介質圓環(huán)片。其中，曲線1和曲線3分 別是角向加載螺旋線圓波導慢波結構的色散特性曲線和耦合阻抗曲線，曲線2和曲線4分別是介質加載角向周期圓波導慢波結構的色散特性曲線和耦合阻抗曲線。從圖5中曲線1、曲線2的比較可以明顯看出當兩種結構的尺寸相同的情況下， 角向加載螺旋線圓波導慢波結構的工作頻帶范圍遠遠大于介質加載角向周期圓波導慢波 結構的工作頻帶范圍，并且相速也遠遠低于介質加載角向周期圓波導慢波結構的相速，同 時，色散曲線也更加平坦。這就表明，角向加載螺旋線圓波導慢波結構能夠有效地提高互作 用效率，降低工作電壓，有利于器件的小型化。從圖6中曲線3、曲線4比較可知當兩種結構的尺寸相同的情況下，在工作頻段 內，角向加載螺旋線圓波導慢波結構的耦合阻抗遠遠高于介質加載角向周期圓波導慢波結 構的耦合阻抗。這說明，采用角向加載螺旋線圓波導慢波結構的行波管能夠獲得更高的增 益和互作用效益。這說明該發(fā)明能夠有效提高耦合阻抗，色散曲線變得更加平坦，從而使得行波管 的增益和效率得以提高；此外，由于相速的降低，使得器件的工作電壓大大降低，有利于在 小型化器件中的應用。
權利要求
1.一種角向加載螺旋線的圓波導慢波結構，包括一個半徑為R1的圓波導(4)、N個相同 的螺旋線⑶和兩個外半徑為R1,內半徑為&的圓環(huán)介質片(1和2)；兩個圓環(huán)介質片(1 和2)分別固定于圓波導的兩個端面，N個相同的螺旋線(3)均連接于連個圓環(huán)介質片 (1和2)之間，使得N個相同的螺旋線(3)在圓波導內部呈角向均勻分布狀；更為具體 地說，N個相同的螺旋線(3)呈角向均勻分布在圓波導⑷內部外徑為R2、內徑為R3的圓環(huán) 柱狀空間內，其中相鄰兩個螺旋線⑶之間的角向距離辦為？^！/隊且隊< R2 < R3 < R5 ； 兩個圓環(huán)介質片的空心部分以及所有螺旋線環(huán)繞的空間部分共同形成電子注通道(5)。
2.根據權利要求1所述的角向加載螺旋線的圓波導慢波結構，其特征在于，所述螺旋 線(3)的橫截面形狀是圓形、圓環(huán)扇形、正方形或者各種多邊形。
3.根據權利要求1所述的角向加載螺旋線的圓波導慢波結構，其特征在于，所述圓環(huán) 介質片(1和2~)的材料是氧化鋁陶瓷或者氮化硼陶瓷。
全文摘要
一種角向加載螺旋線的圓波導慢波結構，屬于真空電子技術領域。包括一個半徑為R1的圓波導、N個相同的螺旋線和兩個外半徑為R1，內半徑為R5的圓環(huán)介質片；兩個圓環(huán)介質片分別固定于圓波導的兩個端面，N個相同的螺旋線均連接于連個圓環(huán)介質片之間，使得N個相同的螺旋線在圓波導內部呈角向均勻分布狀；兩個圓環(huán)介質片的空心部分以及所有螺旋線環(huán)繞的空間部分共同形成電子注通道。本發(fā)明可工作于短毫米波和太赫茲波段，能有效提高耦合阻抗，并且色散曲線較為平坦，使得采用該新型慢波結構的行波管具有更高的增益和互作用效率，并獲得較大輸出功率；此外，本發(fā)明能夠大大降低相速，從而可以采用較低的工作電壓，有利于器件的小型化。
文檔編號H01J23/26GK102074439SQ20101059446
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月19日 優(yōu)先權日2010年12月19日
發(fā)明者劉漾, 宮玉彬, 徐進, 段兆云, 王文祥, 趙國慶, 魏彥玉 申請人:電子科技大學