專利名稱：圓弧形微帶曲線平面慢波器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微波真空電子技術(shù)領(lǐng)域中與行波管配套用慢波器件，特別是一種半圓弧形微帶曲線平面慢波器件。
背景技術(shù)：
行波管是靠連續(xù)調(diào)制電子注的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)微波被放大的真空電子器件。在行波管中，電子注同慢波器件中行進(jìn)的電磁行波發(fā)生有效互作用，在長(zhǎng)達(dá)幾十個(gè)波長(zhǎng)的慢波電路中，電子注連續(xù)不斷地把電子的動(dòng)能交給電磁行波，從而使電磁行波得到放大。行波管具有大功率、高效率、高增益、寬頻帶和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。慢波器件是放大微波能量的主要部件，它是行波管的核心器件之一，它的高頻特性的好壞直接影響到行波管的性能，它的任務(wù)是傳輸高頻電磁波并使該電磁波的相速略低于電子注的平均直流速度，從而實(shí)現(xiàn)電子注與電磁波的有效互作用。慢波器件特性的改善對(duì)提高和改善相應(yīng)器件的功率、效率和頻帶等特性有著重要的作用。隨著真空電子技術(shù)的發(fā)展，諸如螺旋線、耦合腔等傳統(tǒng)的慢波器件得到了很大的改進(jìn)。與此同時(shí)，許多新型的慢波器件也引起了人們更多的關(guān)注，它們的許多特性是傳統(tǒng)慢波器件無(wú)法比擬的。近年來(lái)，平面型慢波器件得到了進(jìn)一步重視。作為平面型慢波器件的成員，微帶型慢波器件加工工藝簡(jiǎn)單，散熱性能好，成本低，結(jié)構(gòu)小，重量輕，而且傳統(tǒng)的微帶線工藝加工技術(shù)已十分成熟，這為批量生產(chǎn)提供了廣闊的前景。微帶曲線平面慢波器件是一類新型的可適用于帶狀電子束的平面型慢波器件。山東大學(xué)的張大勇等人在軍用微波管研討會(huì)第十五屆學(xué)術(shù)年會(huì)上發(fā)表的《微帶型曲折線慢波結(jié)構(gòu)的理論研究》會(huì)議論文中提出一種直角形微帶曲線平面慢波器件，包括基片，固定于基片上帶輸入、輸出端的方波形微帶曲線以及金屬外殼。該器件是一種工作在S波段0-4GHZ)的微帶曲線平面慢波器件，其中的基片為純度99%的氧化鋁(Al2O3)陶瓷，其上嵌入的微帶曲線為與電子注傳播方向垂直的一組相互平行、等距排列且首、尾相連的方波形微帶曲線(亦稱直角形微帶曲線)，圖1 所示即為該類平面慢波器件的結(jié)構(gòu)示意圖。采用此類慢波器件的行波管具有較寬頻帶、大電流和低工作電壓等優(yōu)點(diǎn)，因而此類慢波器件是一種很有潛力的與微型毫米波行波管配套用平面慢波器件。該微帶形平面慢波器件的主要制作工藝過(guò)程包括1)金屬層的沉積將磨好的基片置于真空濺射機(jī)內(nèi)以濺射沉淀金屬材料；2)光刻在基片上復(fù)制出掩模板上的圖形，即微帶型曲線的圖形，在沉積好金屬的基片上涂膠，烘干以除去膠層內(nèi)的溶劑，置于曝光機(jī)中進(jìn)行曝光，對(duì)曝光后的基片進(jìn)行顯影，用溶劑去除曝光部分的光刻膠，在基片上形成所需要的光刻膠圖形；3)刻蝕通過(guò)化學(xué)刻蝕液和被刻蝕金屬層之間的化學(xué)反應(yīng)，將被刻蝕物質(zhì)剝離下來(lái)，形成要要的方波形微帶曲線形狀。此類微帶曲線平面慢波器件與微波行波管配套用雖然具有較好的效果，但與工作在毫米波頻段以上的行波管配套使用時(shí)、因其慢波器件的結(jié)構(gòu)尺寸將變得非常小，對(duì)直角的拐角加工精度要求高，實(shí)際加工往往很難精確實(shí)現(xiàn)；并且由于直角處突變?cè)斐傻牟黄ヅ鋵⒁鸩ǖ姆瓷?，而且?dāng)微帶曲線的尺寸很小時(shí)，在直角的角尖處也易產(chǎn)生尖端放電效應(yīng)；此外，基片采用純度為99%的氧化鋁陶瓷，氧化鋁陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)比較高(％ = 9. 6)，工作在S波段時(shí)基片厚度為1. 35mm,該氧化鋁陶瓷基片尚可使用；但是當(dāng)行波管工作在W波段(94 97GHz)時(shí)，要求基板很薄(厚度在十幾個(gè)微米)，這時(shí)的氧化鋁陶瓷很容易破碎，加之氧化鋁陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)(W VhmK)-1)僅為25. 5、其散熱性能仍較差，這既影響了該器件生產(chǎn)的成品率、又影響了此類平面慢波器件性能的進(jìn)一步提高，該方波形微帶曲線平面慢波器件的耦合阻抗及輸出功率也相對(duì)較低。上述“方波”微帶曲線由于微帶曲線在直角形拐角處呈現(xiàn)突變引起的波反射、直角的角尖處又易產(chǎn)生放電效應(yīng)，加之采用氧化鋁陶瓷作基片、不但其散熱性差，而且其性能因易破碎難以達(dá)到毫米波以上頻段工作時(shí)對(duì)其強(qiáng)度的要求。因而，上述背景技術(shù)存在器件的結(jié)構(gòu)難以小型化，基片散熱性差，與工作在毫米波以上頻段的行波管配套使用、其性能及可靠性差，耦合阻抗及輸出功率相對(duì)較低等缺陷。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是研究設(shè)計(jì)一種圓弧形微帶曲線平面慢波器件，以克服背景技術(shù)微帶曲線在直角的拐角處因呈現(xiàn)突變引起的波反射、且在直角的角尖處又易產(chǎn)生的放電效應(yīng)，以及氧化鋁陶瓷作基片在一定的厚度以下易破碎、使器件的結(jié)構(gòu)難以小型化等缺陷， 以達(dá)到在使微帶曲線平面慢波器件小型化的同時(shí)、能在更高的頻段工作且耦合阻抗及輸出功率高、散熱性好，有效提高與工作在毫米以下的高頻波段行波管配套使用時(shí)的性能及其可靠性，以及延長(zhǎng)慢波器件的使用壽命等目的。本實(shí)用新型的解決方案是將方波形微帶曲線的連接部位由直角方式連接改為半圓弧(環(huán))形連接，使微帶曲線成為一個(gè)平滑的半圓弧形微帶曲線，從而既避免了微帶曲線因突變引起傳輸中的反射現(xiàn)象，又增大了微帶曲線在相鄰拐角處之間的距離、防止了微帶曲線在拐角處產(chǎn)生尖端放電，同時(shí)簡(jiǎn)化了微帶曲線的加工工藝、進(jìn)一步提高了慢波器件的耦合阻抗及輸出功率；采用相對(duì)介電常數(shù)％ = 4，抗壓強(qiáng)度、硬度及導(dǎo)熱系數(shù)均遠(yuǎn)大于氧化鋁陶瓷的氮化硼作基片、以有效提高基片的強(qiáng)度和散熱性，在實(shí)現(xiàn)器件小型化的同時(shí)、滿足器件在更高頻段工作的要求；本實(shí)用新型即以此實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的。因而，本實(shí)用新型圓弧形微帶曲線平面慢波器件包括基片，固定于基片上帶輸入、輸出端的由一組相互平行、等距排列且首、尾相連的微帶曲線以及金屬外殼，關(guān)鍵在于基片為氮化硼基片，而固定于基片上的相互平行、等距排列且首、尾相連的微帶曲線的連接部位為半圓環(huán)形微帶曲線，微帶曲線底面與基片上表面按傳統(tǒng)的濺射沉淀法固定成一體。上述半圓環(huán)形微帶體的厚度及徑向?qū)挾扰c微帶曲線線體的厚度及寬度相同。而所述氮化硼基片，氮化硼的純度為彡99wt%、電常數(shù)ε , = 3 5、維氏硬度為HV3200 4000、 抗壓強(qiáng)度為800 lOOOMPa、導(dǎo)熱系數(shù)(W · (m · ΚΓ1)為79. 5。本實(shí)用新型將平面慢波器件中的方波形微帶曲線改為光滑半圓弧形微帶曲線，從而既避免了微帶曲線因突變引起傳輸中的反射現(xiàn)象，又增大了微帶曲線在相鄰拐角處之間的距離、防止了微帶曲線在拐角處產(chǎn)生尖端放電，同時(shí)簡(jiǎn)化了微帶曲線的加工工藝，并使慢波器件的耦合阻抗及輸出功率得以提高；采用相對(duì)介電常數(shù)ε r = 4，抗壓強(qiáng)度、硬度及導(dǎo)熱系數(shù)均遠(yuǎn)大于氧化鋁陶瓷的氮化硼作基片，又有效地提高了基片的強(qiáng)度、散熱性及慢波器件生產(chǎn)中的成品率和使用壽命，在實(shí)現(xiàn)器件小型化的同時(shí)、滿足器件在更高頻段工作的要求。本實(shí)用新型氮化硼基片的維氏硬度高達(dá)HV3200 4000、同時(shí)其抗壓強(qiáng)度高達(dá)800 lOOOMPa、導(dǎo)熱系數(shù)(W· (m· K)"1)為79. 5均比氧化鋁陶瓷的硬度HV1900、抗壓強(qiáng)度9 IOMPa及25. 5的導(dǎo)熱系數(shù)(W · (m · K)—1)高出許多倍；與工作在90 IlOGHz的行波管配套使用時(shí)、其耦合阻抗可較背景技術(shù)提高7. 7 10. 2%，在工作頻段94 97GHz時(shí)其耦合阻抗可較背景技術(shù)提高8. 0 8. 3 %、歸一化相速比提高7. 0 7. 2%。因而，本實(shí)用新型具有在微帶曲線平面慢波器件小型化的同時(shí)、能在毫米以下高頻波段工作穩(wěn)定、可靠地工作，散熱性好、耦合阻抗及輸出功率高，與工作在毫米波頻段以上的行波管配套使用時(shí)的性能及可靠性高，慢波器件生產(chǎn)中的成品率高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

圖1是背景技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型圓弧形微帶曲線平面慢波器件的結(jié)構(gòu)示意圖(三維圖)；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施方式與背景技術(shù)的耦合阻抗比較圖。圖中1.基片，2.微帶線，3.帶狀電子注(工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡)，4.殼體。
具體實(shí)施方式
本實(shí)施方式以與行波管配套工作在90 IlOGHz波段的圓弧形微帶曲線平面慢波器件為例，其中基片1(長(zhǎng)χ寬χ厚)14. 72X0. 5X0. 05mm、材質(zhì)為純度99wt%、相對(duì)介電常數(shù)、=4、損耗角正切tan δ = 0. 00025的氮化硼；微帶線2的線體(長(zhǎng)X寬X 厚)81. 48X0. 04X0. 015mm、材質(zhì)為金屬Cu，微帶曲線共92個(gè)周期，整條微帶曲線沿電子注方向長(zhǎng)14. 72mm(即每個(gè)周期沿電子注方向長(zhǎng)0. 16mm)，相鄰兩根平行微帶之間的間隔均為0.04mm，連接部位半圓環(huán)形微帶曲線的內(nèi)半徑均為R0. 02mm;金屬殼體4(長(zhǎng)X寬X 高)14. 72X0.6X0. 4mm ；配套使用時(shí)前、后兩端分別與行波管的電子槍及收集極連接。本實(shí)施方式圓弧形微帶曲線平面慢波器件仍采用常規(guī)工藝，即首先采用真空濺射法將金屬 Cu沉積于磨好的基片1上，然后按上述結(jié)構(gòu)、尺寸經(jīng)光刻處理及化學(xué)刻蝕處理即制得固定于基片1上，連接部位為半圓環(huán)形的微帶(曲)線2，最后采用無(wú)氧Cu封裝即成。
權(quán)利要求1.一種圓弧形微帶曲線平面慢波器件，包括基片，固定于基片上帶輸入、輸出端的由一組相互平行、等距排列且首、尾相連的微帶曲線以及金屬外殼，其特征在于基片為氮化硼基片，而固定于基片上的相互平行、等距排列且首、尾相連的微帶曲線的連接部位為半圓環(huán)形微帶曲線，微帶曲線底面與基片上表面按傳統(tǒng)的濺射沉淀法固定成一體。
2.按權(quán)利要求1所述圓弧形微帶曲線平面慢波器件，其特征在于所述半圓環(huán)形微帶體的厚度及徑向?qū)挾扰c微帶曲線線體的厚度及寬度相同。
3.按權(quán)利要求1所述圓弧形微帶曲線平面慢波器件，其特征在于所述氮化硼基片的氮化硼純度為彡99wt%、電常數(shù)ε r = 3 5，基片的維氏硬度為HV3200 4000、抗壓強(qiáng)度為 800 lOOOMPa、導(dǎo)熱系數(shù)為79. 5。
專利摘要該實(shí)用新型屬于微波真空電子技術(shù)中與行波管配套用半圓弧形微帶曲線平面慢波器件，包括氮化硼基片，固定于基片上帶輸入、輸出端的半圓環(huán)形微帶曲線以及金屬外殼。該實(shí)用新型采用連接部位為光滑半圓弧形的微帶曲線、以及介電常數(shù)較低、而抗壓強(qiáng)度、硬度及導(dǎo)熱系數(shù)均很高的氮化硼作基片；既提高了慢波器件的耦合阻抗及輸出功率、又有效地提高了基片的強(qiáng)度、散熱性及慢波器件生產(chǎn)中的成品率和使用壽命。因而具有在微帶曲線平面慢波器件小型化的同時(shí)、能在毫米波以上頻段穩(wěn)定、可靠地工作，且散熱性好、耦合阻抗及輸出功率高，與工作在毫米波頻段以上的行波管配套使用時(shí)的性能及可靠性高，慢波器件生產(chǎn)中的成品率高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01J23/24GK202120859SQ20112018801
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者刁鵬, 林嫻靜, 段兆云 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)