一種扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的製作方法

2023-06-09 13:08:11 2

本發明涉及一種電磁波傳輸線。具體地說，是涉及一種用於信號延遲或電磁波源的慢波結構的緊湊型扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導。

背景技術：

摺疊傳輸線的第一個重要應用是作為信號延遲線， 在雷達等系統中用於信號延遲。摺疊傳輸線的第二個重要應用是在行波管放大器中作為慢波結構使用。這時，電子束沿一定直線電子通道傳播，而電磁波則沿著彎折的傳輸線傳播。 雖然在彎折傳輸線內傳播的電磁波的相速很快， 可以接近於光速， 甚至大於光速， 但在該直線電子通道中， 電子束感受到的電磁波的相速可以遠遠低於光速。採用準摺疊波導構成的行波管的電子束能量可以大大降低，有利於器件的小型化。

傳統的摺疊傳輸線一般採用傳輸線連續彎曲而成。 比如波導延遲線將波導彎曲疊放。由於過小的彎曲曲率半徑將導致信號的反射，這種延遲線的體積通常都比較大。摺疊波導行波管放大器中的普通的慢波結構採用矩形波導段與U形波導端分別交替連接構成， 同樣有體積大的問題。普通的摺疊波導行波管存在的另一個問題是帶寬問題。這種行波管中採用的摺疊波導一般為二維結構，波導在一個過Z軸的平面，比如XZ平面內連續彎曲。在這種摺疊波導中， 沿Z軸傳播的電子在通過一個周期的摺疊波導時，有兩個與電磁波相互作用的區域。 在這兩個互作用區域中，傳輸的電子束感受到的電磁波的相位差除電磁波沿該摺疊波導的彎折途徑傳輸所決定的相位差外，還包括由於傳輸線的180度彎折波導致的電磁場方向反向所決定的180度的所謂「形狀相位差」。這個形狀相位差的存在，使得沿Z軸方向傳播的電子束與沿摺疊波導傳播的電磁波在沿Z方向的速度同步條件下，在同一周期中的兩個互作用區域中，電子束所受到的沿Z軸方向的作用力會切換方向，導致電磁波從電子束獲得的能量相互抵消。為了解決這個問題，電子束沿Z方向的速度與電磁波沿Z方向的平均相速必須失配。由此帶來了對摺疊波導行波管的相對帶寬的嚴重限制。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種沒有形狀相位差的扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導。這種方案具有結構簡單、加工方便、工作頻率寬, 結構緊湊等特點。

為了實現上述目的，我們的方案為，一種扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導。所述扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導包括沿Z軸方向依次連通並重複的至少2個最短波導周期結構，在扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導兩端設置有輸入輸出波導。

存在一與Z軸平行的直線AB， 所述直線AB與所述任意一個最短波導周期結構的交集為兩條互不直接相連的連續線段CD和線段EF。

存在至少一根平行於Z軸的直線電子束通道；所述直線電子束通道與所述直線AB重合；所述線段CD通過所述最短波導周期結構中電磁波的電場強度的最大幅值點。

所述任意最短波導周期結構的兩端面都與YZ平面平行； 所述最短波導周期結構的兩端面的形狀為矩形波導、單脊矩形波導或雙脊矩形波導；所述任一最短波導周期結構的兩端面的寬邊都與Y軸方向平行。

當電磁波的頻率接近所述摺疊波導的工作模式的截止頻率時，Z軸與所述任意一個最短波導周期結構的兩個交集處的電磁波的電場的方向相同。

本發明的最短波導周期結構有2種結構，第一種結構為：相鄰2個最短波導周期結構直接連接，每一個最短波導周期結構至少包括2個分別位於Y軸兩側的U形彎波導，U形彎波導的凹口面向Y軸，同一最短波導周期結構內的2個U形彎波導採用波導段結構連接，一個U形彎波導的一端與另一個U形彎波導的一端之間採用波導段結構連接，每一個所述波導段結構包括一個位於Y軸上的波導段和2個分別位于波導段兩側的扭波導段，扭波導段位於U形彎波導的端部與波導段的端面之間的間隙處。

第二種結構為：相鄰2個最短波導周期結構直接連接；每一個最短波導周期結構至少包括2個分別位於Y軸兩側的U形彎波導，U形彎波導的凹口面向Y軸，同一最短波導周期結構內的2個U形彎波導採用波導段結構連接，一個U形彎波導的一端與另一個U形彎波導的一端之間採用波導段結構連接，每一個所述波導段結構包括一個位於Y軸上的波導段和1個位于波導段一端的扭波導段；同一最短波導周期結構內，Y軸一側的U形彎波導的一端部直接與波導段連接，Y軸另一側的U形彎波導的一端部直接與扭波導段連接，且整個扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導中，相鄰的2個扭波導段分別位於Y軸兩側；所述扭波導段由2個L形波導段疊合連接在一起組成，一個L形波導段相比另一個L形波導段呈水平翻轉狀態。

所述所有U形彎波導中至少一個的橫截面的至少一個形狀參數隨該扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的中心線的相對變化大於10%；所有波導段中至少一個的橫截面的至少一個形狀參數隨該扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的中心線的相對變化大於10%。

在每一個所述最短波導周期結構中，相鄰的兩個扭波導段互相不直接相連；所述U形彎波導為H面U形彎波導。

所述波導段為矩形波導。

所述扭波導段為L形波導段。

直線電子束通道貫穿所有波導段。

所述U形彎波導為E面U形彎波導。

所述任意最短波導周期結構的兩端面都與YZ平面平行； 所述最短波導周期結構的兩端面的形狀為矩形；所述任一最短波導周期結構的兩端面的寬邊都與Y軸方向平行；所述扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的上表面齊平；這裡的所述扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導，包括所有U形彎波導、所有波導段，和所有扭波導段。

為了便於加工，所述扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的上表面齊平；這裡的所述扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導， 包括所有U形彎波導、所有波導段，和所有扭波導段。這種準平面結構使我們可以將所有的電磁波結構都安排在底座上，採用普通數控銑床一次完成，以確保加工精度和降低加工成本。

本發明提出了採用矩形波導、單脊波導、雙脊波導或其它形狀的波導的各種周期性扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導。在已有的摺疊波導行波管的傳統的扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的基礎上，很好地解決了形狀相位差帶來的電子束與電磁波之間的寬頻帶同步問題。這種準平面結構使我們可以將所有的電磁波結構都安排在底座上，採用普通數控銑床一次完成，以確保加工精度和降低加工成本。該發明也可以用作緊湊的信號延遲線。採用該扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導作為行波管的互作用波導，可望大大降低高頻微波、毫米波，甚至太赫茲器件所需的電子束能量並展寬其工作帶寬。

附圖說明

圖1為本發明實施實例1的示意圖；

圖2為本發明實施實例1的仰視示意圖；

圖3為本發明實施實例1的最短波導周期結構示意圖；

圖4為本發明實施實例1的扭波導示意圖；

圖5為本發明實施實例2的最短波導周期結構示意圖；

附圖中標號對應名稱：1-輸入輸出波導，2-波導段，4-U形彎波導， 5-扭波導段，7-直線電子束通道。

實施實例1

如圖1-4所示。

一種扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導，包括沿Z軸方向依次連通並重複的至少5個最短波導周期結構和輸入輸出波導1。相鄰2個最短波導周期結構直接連接，每一個最短波導周期結構至少包括2個分別位於Y軸兩側的U形彎波導4，U形彎波導的凹口面向Y軸，同一最短波導周期結構內的2個U形彎波導4採用波導段結構連接，一個U形彎波導4的一端與另一個U形彎波導4的一端之間採用波導段結構連接，每一個所述波導段結構包括一個位於Y軸上的波導段2和2個分別位于波導段2兩側的扭波導段5，扭波導段5位於U形彎波導4的端部與波導段2的端面之間的間隙處。

存在一與Z軸平行的直線AB， 所述直線AB與所述任意一個最短波導周期結構的交集為兩條互不直接相連的連續線段CD和線段EF。

存在一根平行於Z軸的直線電子束通道7；所述直線電子束通道7與所述直線AB重合；所述線段CD通過所述最短波導周期結構中電磁波的電場強度的最大幅值點。

所述任意最短波導周期結構的兩端面都與YZ平面平行； 所述最短波導周期結構的兩端面的形狀為矩形波導；所述任一最短波導周期結構的兩端面的寬邊都與Y軸方向平行。

當電磁波的頻率接近所述摺疊波導的工作模式的截止頻率時，所述直線AB與所述任意兩個沿Z方向相鄰的最短波導周期結構的交集處的電磁波的相位差趨近於零。

每一個最短波導周期結構包括2個U形彎波導4和2個波導段2。每一個最短波導周期結構還包括4個扭波導段5。

所述2個U形彎波導4的高度和2個波導段2的寬度該U形彎波導4扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的中心線的相對變化大於10%（圖中未示出）。

當電磁波的頻率接近所述摺疊波導的工作模式的截止頻率時，Z軸與所述任意一個最短波導周期結構的兩個交集處的電磁波的電場的方向相同。

在每一個所述最短波導周期結構中，相鄰的兩個扭波導互相不直接相連；所述U形彎波導4為H面U形彎波導4。

所述扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的上表面齊平； 這裡的所述扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導， 包括所有U形彎波導4、所有波導段2，和所有扭波導段5。

實施實例2

如圖5所示。

與實施實例1相比，不同之處僅在於：

這裡的所有U形彎波導4為E面U形彎波導4。在每一個最短波導周期結構中，每兩個扭波導互相直接相連構成一組。兩組扭波導之間互不直接相連，具體的，相鄰2個最短波導周期結構直接連接；每一個最短波導周期結構至少包括2個分別位於Y軸兩側的U形彎波導4，U形彎波導的凹口面向Y軸，同一最短波導周期結構內的2個U形彎波導4採用波導段結構連接，一個U形彎波導4的一端與另一個U形彎波導4的一端之間採用波導段結構連接，每一個所述波導段結構包括一個位於Y軸上的波導段2和1個位于波導段2一端的扭波導段5；同一最短波導周期結構內，Y軸一側的U形彎波導4的一端部直接與波導段2連接，Y軸另一側的U形彎波導4的一端部直接與扭波導段5連接，且整個扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導中，相鄰的2個扭波導段5分別位於Y軸兩側；所述扭波導段5由2個L形波導段疊合連接在一起組成，一個L形波導段相比另一個L形波導段呈水平翻轉狀態。

以上我們給出了扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的幾個實施實例。在這些實例中，為了繪製示意圖的方便，扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的周期數為3-6個。實際上，在電磁波源，特別是在行波管中，扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的周期數可以多達幾十個。同時，在以上的實施實例中，為了加工這些扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導，需要採取線切割、數數控車銑等加工方法，許多內角需要倒角處理。這些倒角會對扭波導合併式準平面矩形波導摺疊波導的性能產生影響，在建模計算時必須加以考慮。