CN101615554B - 一种弯曲槽加载曲折波导慢波线 - Google Patents

Abstract

一种弯曲槽加载曲折波导慢波线，涉及微波真空电子技术领域中的行波管放大器件。由一系列圆弧(或直角)弯曲波导和直波导首尾连接形成曲折波导结构；每个弯曲波导的外侧沿波导宽边方向具有开口，每个开口处连接一个弯曲槽；处于中轴对称线同侧的弯曲槽的弯曲方向一致，两侧的弯曲槽的弯曲方向相反；整个曲折波导和弯曲槽的腔体互为连通；在曲折波导结构的中轴对称线与直波导壁的交点处开有圆形通孔；在所有相邻直波导壁的两个通孔之间用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管连接，形成电子注通道。本发明通过加载弯曲槽以改善常规曲折波导慢波线中的场分布，相比于普通曲折波导慢波线具有更宽的带宽、更高的输出功率和更小的器件体积。

Description

一种弯曲槽加载曲折波导慢波线

技术领域

本发明属于微波真空电子技术领域，涉及行波管放大***，尤其涉及行波管放大***中的波导慢波线。

背景技术

现代行波管已成为雷达、电子对抗、卫星通信、导航、遥感等电子设备的重要微波电子器件。慢波线作为行波管注-波互作用以激励放大微波能量的部件，则是行波管的核心，其性能直接决定着行波管的技术水平。在行波管中，使用最广泛的慢波结构为螺旋线和耦合腔。螺旋线的色散特性平坦，工作频带宽，在行波管中得到了广泛应用；但螺旋线行波管的输出功率受到限制，特别是当行波管工作于短厘米和毫米波段时，由于螺旋线横向尺寸极小，散热困难，其功率容量小。耦合腔的耦合阻抗高，互作用效率高，但这是以减小带宽为代价的。此外，毫米波耦合腔行波管尺寸很小，加工、装配精度要求高，成品率低，成本高。因此，寻找能工作在毫米波段，性能优良的新型行波管慢波结构就显得十分必要了。

曲折波导慢波线，如图1所示，是一类新型全金属慢波线，它是由矩形波导1沿电场面(波导宽面)周期性弯曲成直角型曲折线或U型曲折线而形成的；在沿慢波结构的中轴对称线2的位置在波导壁上开圆形通孔；然后在慢波结构的每个周期性直角槽或U型槽的两个圆形通孔之间，用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管3连接，形成电子注通道。曲折波导慢波线沿纵向对称面的剖面图如图2所示。该慢波结构在实现大功率容量的同时，具有良好的宽带性能。该结构主要有机械强度高、散热好、功率容量大、加工比较容易以及输入输出耦合结构相对简单的优点。同时，由于可以采用微细加工技术来制造，以曲折波导慢波结构为核心的微型曲折波导行波管在毫米波段很有潜力成为一种大功率、小型辐射源，在军事电子***以及宽带毫米波通讯等领域具有很好的应用前景。

根据已有的国内外相关实验报道，虽然曲折波导慢波结构的带宽较宽，但它的体积和输出功率仍然不能满足行波管向小型化高功率发展的要求。此外，为了使曲折波导慢波结构的应用范围更加广泛，进一步拓展它的带宽也很有必要。

发明内容

为了提高曲折波导慢波线的输出功率，减小其器件体积，同时进一步拓展其带宽，本发明提出了一种弯曲槽加载曲折波导慢波线。

本发明的核心出发点是利用周期加载弯曲槽，改善常规曲折波导慢波线中的场分布，延展带宽并提高慢波线中每个单位长度的功率增益，以此提升总的输出功率并降低功率饱和时所需要的器件长度，达到宽带、高功率、小型化的目的。

本发明所采用的技术方案是：

一种弯曲槽加载曲折波导慢波线，如图3至图4所示，由一系列圆弧弯曲波导(或直角弯曲波导)和直波导首尾连接而成，等同于由矩形波导1沿电场面周期性弯曲成U型曲折线(或直角型曲折线)，形成曲折波导结构；每个圆弧弯曲波导(或直角弯曲波导)的外侧沿波导宽边方向具有开口，每个开口处连接一个弯曲槽4；且处于中轴对称线2上方的所有弯曲槽4的弯曲方向一致，处于中轴对称线2下方的所有弯曲槽4的弯曲方向一致并与中轴对称线2上方的弯曲槽4的弯曲方向相反；整个曲折波导和弯曲槽的腔体互为连通；在曲折波导结构的中轴对称线2与直波导壁的交点处开有圆形通孔；在所有相邻直波导壁的两个通孔之间用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管3连接，形成电子注通道。

上述方案中，所述弯曲槽4可以是直角弯曲槽，也可以是圆弧形弯曲槽。

弯曲槽加载曲折波导慢波线的尺寸参数如图4所示：a为矩形波导宽边长度，b为矩形波导窄边长度，L为单个曲折周期结构的曲折长度，p为单个曲折周期结构的轴向长度，r₀为电子注通道的半径，b₀为弯曲槽窄边长度，p₀为弯曲槽轴向长度，h₀为弯曲槽横向长度。

设定上述弯曲槽加载曲折波导慢波线结构尺寸(单位：mm)：a＝5，b＝0.7，L＝3.1，p＝1.2，r₀＝0.5，b₀＝0.5，p₀＝1.2，h₀＝0.68。利用三维电磁仿真软件对弯曲槽加载曲折波导慢波线进行仿真，获得其耦合阻抗特性，并与普通曲折波导相比较，结果如图5所示。曲线5为普通曲折波导慢波线的耦合阻抗特性，曲线6为本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线的耦合阻抗特性。

利用三维注-波互作用仿真软件对本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线的输出功率及带宽、功率饱和时所需的器件长度分别进行了仿真，并与普通曲折波导慢波线相比较。图6为功率及带宽的对比结果，其中曲线7为普通曲折波导慢波线的输出功率及带宽性能，曲线8为本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线的输出功率及带宽性能；图7为普通曲折波导慢波线功率饱和时所需器件长度的仿真结果；图8为本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线功率饱和时所需器件长度的仿真结果。

本发明的有益效果是：

从图5中曲线5与曲线6的比较可以明显看出，本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线在整个工作频带内同频率下耦合阻抗都高出普通曲折波导慢波线80％以上，意味着它能更有效的支持注-波互作用，从而提高行波管的输出功率。

从图6中曲线7与曲线8的比较可以清楚看到，弯曲槽加载曲折波导慢波线的输出功率(35GHz时300瓦)远高于普通曲折波导慢波线的输出功率(35GHz时180瓦)，同时它的3dB带宽(32.9-37.3GHz)也比普通曲折波导慢波线(33-36.9GHz)更宽。

从图7和图8的对比可以看出弯曲槽加载曲折波导慢波线功率饱和时所需的器件长度(134.4mm)比普通曲折波导慢波线(174.2mm)要短很多，大幅减小了器件的体积。

附图说明

图1是普通曲折波导慢波线的立体示意图。

图2是普通曲折波导慢波线沿纵轴方向的剖面图。

图3是本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线的立体示意图。

图4是本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线的单元结构及尺寸标注图。

图5是本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线与普通曲折波导慢波线的耦合阻抗特性对比图。

图6是本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线与普通曲折波导慢波线的功率及带宽对比图。

图7是普通曲折波导慢波线功率饱和时所需器件长度的仿真结果。

图8是本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线功率饱和时所需器件长度的仿真结果。

在以上各图中：1是矩形波导，2是慢波结构的中轴对称线，3是形成电子注通道的金属管，4是弯曲槽，曲线5是普通曲折波导慢波线的耦合阻抗特性，曲线6是本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线的耦合阻抗特性，曲线7是普通曲折波导慢波线的功率及带宽特性，曲线8是本发明提供的弯曲槽加载曲折波导慢波线的功率及带宽特性。

具体实施方案

如图5，在8mm毫米波段，设定弯曲槽加载曲折波导慢波线具体实施方案的结构尺寸为(单位：mm)：a＝5，b＝0.7，L＝3.1，p＝1.2，r₀＝0.5，b₀＝0.5，p₀＝1.2，h₀＝0.68。

利用三维电磁仿真软件和三维注-波互作用仿真软件对弯曲槽加载曲折波导慢波线进行仿真，获得其耦合阻抗、输出功率、带宽、功率饱和时所需的器件长度等性能，并与普通曲折波导慢波线相比较。弯曲槽加载曲折波导慢波线有着更高的耦合阻抗，能以更小的体积在更宽的频带内输出高于普通曲折波导慢波线1.65倍的功率。

Claims (4)

1.一种弯曲槽加载曲折波导慢波线，由一系列圆弧弯曲波导和直波导首尾连接而成，即由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成U型曲折线，形成曲折波导结构；每个圆弧弯曲波导的外侧沿波导宽边方向具有开口，每个开口处连接一个弯曲槽(4)；且处于中轴对称线(2)上方的所有弯曲槽(4)的弯曲方向一致，处于中轴对称线(2)下方的所有弯曲槽(4)的弯曲方向一致并与中轴对称线(2)上方的弯曲槽(4)的弯曲方向相反；整个曲折波导和弯曲槽的腔体互为连通；在曲折波导结构的中轴对称线(2)与直波导壁的交点处开有圆形通孔；在所有相邻直波导壁的两个通孔之间用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道。

2.一种弯曲槽加载曲折波导慢波线，由一系列直角弯曲波导和直波导首尾连接而成，即由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成直角型曲折线，形成曲折波导结构；每个直角弯曲波导的外侧沿波导宽边方向具有开口，每个开口处连接一个弯曲槽(4)；且处于中轴对称线(2)上方的所有弯曲槽(4)的弯曲方向一致，处于中轴对称线(2)下方的所有弯曲槽(4)的弯曲方向一致并与中轴对称线(2)上方的弯曲槽(4)的弯曲方向相反；整个曲折波导和弯曲槽的腔体互为连通；在曲折波导结构的中轴对称线(2)与直波导壁的交点处开有圆形通孔；在所有相邻直波导壁的两个通孔之间用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道。

3.根据权利要求1或2所述的弯曲槽加载曲折波导慢波线，其特征在于，所述弯曲槽(4)是直角弯曲槽。

4.根据权利要求1或2所述的弯曲槽加载曲折波导慢波线，其特征在于，所述弯曲槽(4)是圆弧形弯曲槽。

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