CN105428189A - 一种共面波导的慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种共面波导的慢波结构，属于微波电真空技术领域，涉及行波管放大器件。本发明包括介质基底(2)和位于介质基底(2)表面的金属层(1)，所述金属层(1)包括中心导带和位于中心导带两侧的接地金属面，所述中心导带的形状为周期性弯折曲线；所述中心导带与两侧的接地金属面相互隔离。本发明能够有效解决微带慢波结构的电子累积的问题；容易实现与其他微波器件的串联或者并联连接，从而易于实现真空器件的小型化和集成；采用本发明结构的真空器件有较低的工作电压，其耦合阻抗曲线和色散曲线和较为平坦，从而可以实现真空器件的宽频化设计以及减小该真空器件在工作频带内的增益波动，因此本发明是一种具有较大潜力的适用于小型化平面行波管的慢波结构。

Description

一种共面波导的慢波结构

技术领域

本发明设计属于微波电真空技术领域，涉及行波管放大器件。

背景技术

行波管放大器，是通过电磁场与电子注发生能量交换使高频信号得以放大的微波真空器件，行波管是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。行波管因其高功率、高增益、高效率、宽频带和长寿命使得其在真空电子学领域具有举足轻重的作用，被广泛应用于电子对抗、通信、制导等领域。

现阶段在各领域使用最为广泛的为螺旋线行波管和耦合腔行波管，这两类行波管虽然具有功率大，带宽宽的优点，但是体积庞大且非常笨重，与固态器件相比，无法满足现代电子技术迫切需求的重量轻、体积小的微波功率源的需求。在向更高频率发展的同时，由于渡越效应的关系，还存在加工难度大的问题。随着科学技术的不断发展，传统的电真空器件越来越多地受到了固态器件的挑战，固态器件体积小、重量轻，但是功率小、带宽窄，无法满足装备***对功率和带宽的要求。结合真空器件和固态器件的优势，发展出具有宽频带、高效率、重量轻、体积小，能够满足我国航天工程和新一代卫星需求的新型微波功率源是十分必要的。如何在新的形势下，不断发挥真空器件的优势，解决在技术发展过程中存在的关键技术难题是电真空行业工作者迫切需要解决的问题。

目前国内外提出了多种微带类平面慢波结构，包括二维U形、V型微带慢波结构，三维的矩形螺旋线结构，折叠框结构，卷绕微带慢波结构等。结合真空器件和固态器件的特点，学者们提出了平面行波管的概念，该器件具有宽频带、高效率、重量轻、体积小的优势。这类平面慢波结构存在着一些关键问题制约着以这类慢波结构为基础的小型化行波管的发展。其中之一就是介质基板上电子累积的问题：真空器件在工作时，总会有电子打到慢波结构上，电真空器件的流通率在实际当中不可能达到100％，传统的器件如螺旋线行波管，电子一般都是直接打到螺旋线上，而金属的螺旋线由于具有良好的导电性能，因此电子可以直接被传导走。而目前的平面慢波结构都是在介质基底上采用印制电路板的方式加工的，当电子打到介质基板上的时候，由于介质的不导电性，电子将在介质基板上积累，引起电位下降，从而改变电子注的聚焦情况，此过程不但会毁坏介质基板，影响慢波结构的性能，而且严重的情况下会导致行波管无法工作。

微波技术中常见传输线包括微带传输线、带状线、共面波导等，其中微带传输线的应用最广泛，它是由介质板上面金属信号线和下面的接地金属面构成，其特征阻抗主要由信号线宽度与介质板厚度的比值决定。微带线应用广泛，但仍存在两个明显缺点：1)难以实现高特征抗阻；2)较难实现接地。而共面波导由介质基片上的中心导带和中心导带同侧的两个接地导电面构成，其主模为准TEM波。共面波导作为另一种广泛应用于微波、毫米波电路的传输线形式，可以有效解决上述两个问题。

发明内容

本发明在于提供了一种共面波导的慢波结构，采用带状电子注与电磁波进行互作用，具有较宽的工作带宽和较低的工作电压，且能够避免由于扰动而不受约束的电子直接打到介质基底上，从而有效解决微带慢波结构的电子累积的问题，是一种具有较大潜力的适用于小型化平面行波管的慢波结构。

本发明是通过以下技术方案实现上述目的：

本发明包括介质基底2和位于介质基底2表面的金属层1，金属层1包括中心导带和位于中心导带两侧的接地金属面，中心导带的形状为周期性弯折曲线且中心导带与两侧的接地金属面相互隔离。

上述中心导带与两侧的接地金属面之间形成两条相互平行的槽线；

上述中心导带可以为N形、V形或正弦曲线周期性弯折曲线，两侧的接地金属面可以是与中心导带相同的周期性变化结构，还可以是其它的能够防止电子直接打到介质底板上的结构；

根据周期性慢波结构的作用原理结合本发明的技术方案，定义所述槽线的一个单元周期长度为p，则所述周期长度p可以不变或递增或递减或随机变化。

行波管在结构上包括电子枪、慢波电路、集中衰减器、能量耦合器、聚焦***和收集极等部分。电子枪的作用是形成符合设计要求的电子注。聚焦***使电子注保持所需形状，保证电子注顺利穿过慢波电路并与微波场发生有效的相互作用，最后由收集极接收电子注。待放大的微波信号经输入能量耦合器进入慢波电路，并沿慢波电路行进。本发明中，金属层1与介质基底2构成共面波导，通过将共面波导进行周期性的弯曲后，电磁波在该结构中传播的相速度将低于光速，从而成为一种共面波导慢波结构。在工作过程中，带状电子注在金属层上方通过，其速度略大于电磁波在共面波导慢波结构中的相速度，在此情况下，电子注与电磁波相互作用，将能量交给电磁波，从而实现信号的放大。中心导带相对于介质基底2上表面具有一定厚度，故形成了具有避免电子直接打到介质基底2上的共面波导慢波结构。

通过利用电磁仿真软件对该结构进行优化设计，可以发现，与相同尺寸的常规微带慢波结构相比具有以下优点：

(1)本发明提出的共面波导慢波结构在金属层的保护下，电子几乎只会落到共面波导的金属层上，有效避免电子累积的问题；

(2)本发明提出的共面波导慢波结构的接地导电面与信号线位于介质基片的同一侧，容易实现与其他微波器件的串联或者并联连接，从易于实现真空器件的小型化和集成；

(3)本发明提出的共面波导慢波结构具有更低的工作电压，更平坦的色散曲线，从而使行波管具有更宽的工作带宽，适用于电真空器件的宽频化设计；

(4)本发明提出的共面波导慢波结构寄生参量小，易提高集成电路密度且辐射损耗相对较小，有利于提高器件的工作效率。

附图说明

图1是本发明共面波导的慢波结构一种具体实施方式的结构示意图。

图2是单周期共面波导的慢波结构的尺寸示意图。

图3是共面波导通过周期性弯曲而成为慢波结构的示意图。

图4是本发明提供的共面波导的慢波结构避免电子直接打上介质基底造成电子累积问题的示意图。

图5是本发明提供的共面波导的慢波结构与同尺寸的N形微带慢波结构的色散曲线对比图。

图6是本发明提供的共面波导的慢波结构与同尺寸的N形微带慢波结构的耦合阻抗曲线对比图。

图7是该共面波导的慢波结构的几种变形结构单周期示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

实施例：

一种共面波导的慢波结构，如图1所示，该图是本发明的一种具体的实施方式结构示意图，包括金属层1，介质基底2，所述金属层1利用印制电路技术印制在所述介质基片2上，金属层1包括中心导带和位于中心导带两侧的接地金属面，中心导带的形状为周期性弯折曲线且中心导带与两侧的接地金属面形成两条相互平行的窄槽。

如图2所示，定义上述N形弯曲共面波导慢波结构的尺寸如下：介质基底2的介电常数为ε，介质基底厚度为h，横向长度为a，周期长度为p，中心导带宽度为w，中心导带厚度为t，中心导带直线部分长度为b，真空腔高度为h，槽宽度为w²,两侧金属层厚度为t²。

具体实施方案的结构的尺寸如下(单位：mm)：a＝1.2,b＝0.5,p＝0.28,w＝0.02,t＝0.04,h＝0.1,w²＝0.11,t²＝0.015.

如图3所示，金属层1与介质基底2构成共面波导，共面波导通过N形弯曲从而构成慢波结构的示意图，电磁波在这类结构中行进的相速度将小于光速，因此构成共面波导慢波结构。

如图4所示是通过将中心导带加厚从而避免了电子在介质基底上的累积。由于电子在落到慢波结构的过程中既有横向速度，也有纵向速度，其横纵速度比一般小于1:15，因此中心导带满足了一定厚度的情况下，电子在落到介质基片之前就已经打在金属层上，而中心导带的两侧，由于全部镀上了一成金属，因此不受约束的电子只能直接打上金属层，从而避免了电子在介质基底上的累积。与其他平面微带慢波结构相比，本发明提供的共面波导慢波结构为平面行波管的实用化提供可行的方案。

利用三维电磁仿真软件对本发明提供的N形弯曲共面波导慢波线进行仿真计算，得到了这一具体实施方案的高频特性参数，并且与相同尺寸的N形微带慢波结构进行了对比。

图5是相同尺寸的共面波导的慢波结构与微带线慢波结构的色散曲线的对比图。可以看出，共面波导慢波结构的归一化相速度更小，从而可以使得采用该慢波结构的真空器件具有更低的工作电压；同时，共面波导的慢波结构的色散曲线更为平坦，这使得电子注可以在更宽的频带范围内与电磁波同步，从而使得采用该慢波结构的真空器件具有更宽的带宽。

图6是相同尺寸的共面波导的慢波结构与微带线慢波结构的耦合阻抗曲线对比图，可以看出，共面波导慢波结构的耦合阻抗更小，但是与微带线相比，共面波导的慢波结构接地导电面与信号线位于介质基片的同一侧，容易实现与其他微波器件的串联或者并联连接。通过多个共面波导慢波结构的串并联，可以弥补单个共面波导慢波结构耦合阻抗相对较小的劣势，从而实现真空器件的高功率输出和集成化。

如图7所示上述共面波导的慢波结构，包括以下各种形式的变形结构：其中心导带可以为N形、正弦曲线、V形等周期性结构，两侧的接地导电面除了可以和中心导带进行相同的周期性变化外，还可以是其它的能够防止电子直接打到介质底板上的结构。

Claims (7)

1.一种共面波导的慢波结构，包括介质基底(2)和位于介质基底(2)表面的金属层(1)，所述金属层(1)包括中心导带和位于中心导带两侧的接地金属面，其特征在于，所述中心导带的形状为周期性弯折曲线；所述中心导带与两侧的接地金属面相互隔离。

2.根据权利要求1所述的共面波导的慢波结构，其特征在于，所述中心导带与两侧的接地金属面之间形成两条相互平行的槽线。

3.根据权利要求1或2所述共面波导的慢波结构，其特征在于，所述中心导带的形状为N形、V形或正弦曲线形周期性弯折曲线。

4.根据权利要求1或2所述共面波导的慢波结构，其特征在于，定义所述中心导带形成的周期性弯折曲线的一个单元周期长度为p，所述单元周期长度p不变。

5.根据权利要求1或2所述共面波导的慢波结构，其特征在于，定义所述中心导带形成的周期性弯折曲线的一个单元周期长度为p，所述单元周期长度p递减。

6.根据权利要求1或2所述共面波导的慢波结构，其特征在于，定义所述中心导带形成的周期性弯折曲线的一个单元周期长度为p，所述单元周期长度p递增。

7.根据权利要求1或2所述共面波导的慢波结构，其特征在于，定义所述中心导带形成的周期性弯折曲线的一个单元周期长度为p，所述单元周期长度p随机变化。