一種用於行波管的耦合槽梯型慢波線的製作方法

2023-05-04 00:39:16

專利名稱：一種用於行波管的耦合槽梯型慢波線的製作方法
技術領域：
本發明屬於微波真空電子技術領域，具體來說，涉及行波管的慢波線。
技術背景 行波管是寬帶大功率微波源器件，廣泛用於雷達通訊和空間衛星通訊。行波管結 構原理示意圖如圖1和圖2所示，該行波管主要包括電子槍1，慢波線2 (慢波電路)、聚束 系統3，收集極4、金屬屏蔽外殼5、輸入波導6和輸出波導7。慢波線內部具有一個電子束 通道8，聚束系統3和金屬屏蔽外殼5依次圍繞在慢波線的外周，電子槍1和收集極4分別 位於慢波線的兩端，輸入波導6和輸出波導7分別位於慢波線的兩端與電子槍1和收集極 4的結合處。電子槍提供在電子束通道中運動的電子束，慢波線是電磁波傳輸線，當電磁波 在慢波線中傳輸時，其相位速度小於光速，此時的電磁波通常稱為電磁慢波；常用的慢波線 包括螺旋線慢波線、耦合腔慢波線和摺疊波導慢波線。聚束系統提供必要的磁場，以使電子 束的運動方向不發生改變。收集極是電子束的最終目的地。輸入波導和輸出波導用於輸入 和輸出電磁波。金屬屏蔽外殼的作用是將電子束和電磁波運動的空間與其它空間隔離，以 提供高真空環境，避免電子束受到空氣的影響而電離。行波管的工作原理是，當電子束的速度與慢波線中電磁波的相位速度(電磁波角 頻率與電磁波在慢波線中傳輸單位長度時相位的改變量的比值)基本相等時，電子束的動 能就會轉化為電磁波能量。電子束受到電磁波電場和磁場作用，其運動方向必然要發生變 化，為了使電子不至於打上慢波線和金屬屏蔽外殼，需要一定的磁場約束電子收集極方向 運動，這個磁場就由聚束系統提供。作為慢波線的一種，現有的耦合槽梯型慢波線如圖5、圖6和圖7所示，是在矩形的 金屬屏蔽外殼5內周期性地排列矩形金屬板13，在矩形金屬板13中心打圓柱形孔作為電子 束通道8提供電子束必須的通道，在金屬隔板13與金屬屏蔽外殼5兩條窄邊相鄰處打矩形 耦合槽14以便電磁波能夠通過。正常工作時，適當選擇矩形金屬板13中心圓柱形孔的大 小，就可以使電子束能夠通過，而電磁波不能通過，即電磁波只能通過矩形耦合槽14傳輸。現有的耦合槽梯型慢波線結構簡單，容易加工，這是其優點之一。由於行波管的輸 出功率越高，就有更大量的能量轉化為熱量消耗到慢波線上，如果慢波線散熱能力差，就無 法承受高的輸出功率；而耦合槽梯型線的矩形金屬板與矩形金屬波導的接觸面積大，散熱 能力很強，因此耦合槽梯型慢波線的功率容量大(即有能力承受高輸出功率的工作狀態)， 這是其優點之二。當電磁波在慢波線中傳輸單位長度時相位的改變量(相移)增大，頻率 反而減小(負色散狀態)時，行波管的工作電壓低；而改變耦合槽梯型慢波線的耦合孔14 的尺寸，可以改變電磁波的相移隨頻率的變化趨勢，因此耦合槽梯型慢波線具有工作電壓 低的優點，這是其優點之三。儘管耦合槽梯型慢波線具有如上的優點，但是耦合槽梯型慢波線卻存在帶寬較窄 和高次模式工作不穩定的缺點。行波管的帶寬是指行波管的工作指標符合規定要求時，電磁波頻率能夠變化的最大範圍。當電磁波在慢波線中傳輸時，其相位速度是要隨頻率的變化而變化的(色散)。而行波管工作時要求電子束速度與電磁波相位速度基本相等，一旦慢波線確定，相位速度與 電子束速度基本相等的電磁波頻率範圍也就確定了。可見，行波管的帶寬是由其慢波線所 確定。對於耦合槽梯型慢波線，電磁波是通過電磁波耦合孔傳輸的，孔耦合的傳輸方式決定 了當電磁波的頻率變化時，其相位速度變化較大，即色散很強，因此帶寬就較窄。在同一時刻，電磁波的電場或磁場分量在慢波線橫截面上的分布是由電磁波的頻 率和慢波線本身共同決定的。可以根據這種分布的不同將電磁波區分為不同的模式，場分 布最簡單的模式稱為基模，其餘模式統稱為高次模式(過模)。一般情況下，模式不同，電磁 波頻率也是不同的，基模的頻率是最低的。由於基模的與電子束速度方向相一致的電場分 量較強，對電子束的作用也強，互作用效率高，因此行波管通常利用基模工作。但如果利用 高次模式工作，則可以在現有結構和尺寸的條件下，獲得更高頻率的電磁波，產生更高的輸 出功率。高次模式工作時，由於電子束產生的噪聲等原因，基模電磁波總是存在的。基模電 磁波能不能對高次模式的工作形成幹擾，主要取決於基模電磁波的相位速度與用於工作的 高次模式電磁波的相位速度的差值。耦合槽梯型慢波線的結構特點決定了它的高次模式的 相位速度總是要等於某一頻率的基模電磁波的相位速度，從而引起高次模式工作不穩定。光子晶體是近期在光學領域發展起來的一類全新的人工材料。如圖2、圖3、圖4 所示，光子晶體由兩種以上材料(兩種或多種介質，或者一種介質和一種金屬，或多種介質 與多種金屬)在空間按一定方式交替出現和排列而成，通常情況下，由一種材料在空間上 呈周期性分布成為前景材料11，另一種材料則作為這種材料的背景出現成為背景材料12。 按前景材料11周期性排列的矢量方向，可以分為一維、二維和三維光子晶體。光子晶體的 特點是具有光子帶隙，即光子晶體具有濾波作用，特定頻段內的電磁波不能透過光子晶體 傳播，這一特定頻段被稱為光子帶隙。

發明內容
本發明的目的在於克服現有的耦合槽梯型慢波線存在帶寬較窄和高次模式工作 不穩定的缺點，提供了一種用於行波管的耦合槽梯型慢波線，本發明通過在現有的耦合槽 梯型慢波線的耦合孔中加入光子晶體條，取得了意想不到的技術效果，克服了現有技術的 缺陷。為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案是一種用於行波管的耦合槽梯型 慢波線，由多組矩形金屬板沿行波管的電子束通道軸向呈周期性排列，所述矩形金屬板垂 直於軸向，所述矩形金屬板的中央具有圓形孔，並且其窄邊兩端具有矩形耦合槽，所述矩形 金屬板被沿軸向延伸的金屬屏蔽外殼包裹，金屬屏蔽外殼的內部呈與矩形金屬板大小匹配 的矩形，所述矩形耦合槽內具有至少一條沿電子束通道軸向延伸的光子晶體條。本發明的有益效果是首先，光子晶體條的引入會改變電磁波在耦合槽梯型慢波 線的耦合孔處的傳輸特性，從而增加帶寬；其次，適當設計的光子晶體條會使基模電磁波的 傳輸變差，但不影響高次模式電磁波的傳輸，從而解決耦合槽梯型慢波線高次模式工作不 穩定的問題。現簡單闡述其原理，由於光子晶體材料的特性，若耦合槽梯型慢波線的電磁波 耦合孔處部分填充有光子晶體，電磁波在光子晶體的外表面上會產生透射和折射，如果光子晶體中使用有介質材料，經過通過這種透射和折射之後，電磁波的相位速度隨頻率的改 變量會減小，即色散會減弱，從而會增加行波管的帶寬。選擇適當的光子晶體，並經過適當 設計，使光子晶體的光子帶隙包含基模的頻段，這時，由於基模無法進入光子晶體內部，對 基模有效的耦合孔尺寸變小為除去光子晶體部分的剩餘的耦合孔空間，設計時，使這剩餘 部分的尺寸小於基模最高頻率截止時的對應矩形波導的尺寸，則基模就無法在耦合槽梯型 慢波線中傳輸。相反，高次模式電磁波不是處在光子晶體的光子帶隙頻段之內，它能進入光 子晶體內部，它所看到的是包含光子晶體在內的完整電磁波耦合孔，光子晶體的存在只是 使得它的相位速度有一定的變化，而無法影響它的傳輸狀態。基模電磁波無法在慢波線中 傳輸，自然無法與電子束速度相等並影響高次模式的工作，因此耦合槽梯型慢波線的高次 模式工作不穩定的缺點得以解決。


圖1是現有技術的行波管的結構原理示意圖。圖2是現有技術的光子晶體的一維結構示意圖。圖3是現有技術的光子晶體的二維結構示意圖。圖4是現有技術的光子晶體的三維結構示意圖。圖5是現有技術的耦合槽梯型慢波線的立體結構示意圖。圖6是現有技術的耦合槽梯型慢波線沿徑向的剖視圖。圖7是現有技術的耦合槽梯型慢波線沿軸向的剖視圖。圖8是本發明實施例一沿徑向的剖視圖。圖9是本發明實施例一沿軸向的剖視圖。圖10是本發明實施例一所應用於行波管的結構原理示意圖。圖11是本發明實施例二沿徑向的剖視圖。圖12是本發明實施例二沿軸向的剖視圖。附圖標記說明電子槍1、慢波線2、聚束系統3，收集極4、金屬屏蔽外殼5、輸入波 導6、輸出波導7、電子束通道8、電磁波9、電子束10、前景材料11、背景材料12、矩形金屬板 13、矩形耦合槽14、光子晶體條15。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做詳細的說明。實施例1 如圖5、圖8、圖9和圖10所示。一種用於行波管的耦合槽梯型慢波線，由 多組矩形金屬板13沿行波管的電子束通道8軸向呈周期性排列，所述矩形金屬板13垂直 於軸向，所述矩形金屬板13的中央具有圓形孔，並且其窄邊兩端具有矩形耦合槽14，所述 矩形金屬板13被沿軸向延伸的金屬屏蔽外殼5包裹，金屬屏蔽外殼5的內部呈與矩形金屬 板13大小匹配的矩形，所述耦合槽內具有一條沿電子束通道8軸向延伸的光子晶體條15， 所述光子晶體條15的寬度與矩形耦合槽相同，厚度小於矩形耦合槽，光子晶體條緊貼在金 屬屏蔽外殼5的內表面。實施例2 如圖5、圖11和圖12所示。一種用於行波管的耦合槽梯型慢波線，由多 組矩形金屬板13沿行波管的電子束通道8軸向呈周期性排列，所述矩形金屬板13垂直於軸向，所述矩形金屬板13的中央具有圓形孔，並且其窄邊兩端具有矩形耦合槽14，所述矩 形金屬板13被沿軸向延伸的金屬屏蔽外殼5包裹，金屬屏蔽外殼5的內部呈與矩形金屬板 13大小匹配的矩形，每個矩形耦合槽14內具有兩條光子晶體條15，所述光子晶體條15的 厚度與矩形耦合槽14相同，寬度小於矩形耦合槽14寬度的一半，光子晶體條15緊貼在耦 合槽14的兩側。 本領域的普通技術人員將會意識到，這裡所述的實施例是為了幫助讀者理解本發 明的原理，應被理解為本發明的保護範圍並不局限於這樣的特別陳述和實施例。本領域的 普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各 種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護範圍內。
權利要求
一種用於行波管的耦合槽梯型慢波線，由多組矩形金屬板沿行波管的電子束通道軸向呈周期性排列，所述矩形金屬板垂直於軸向，所述矩形金屬板的中央具有圓形孔，並且其窄邊兩端具有矩形耦合槽，所述矩形金屬板被沿軸向延伸的金屬屏蔽外殼包裹，金屬屏蔽外殼的內部呈與矩形金屬板大小匹配的矩形，其特徵在於，所述矩形耦合槽內具有至少一條沿電子束通道軸向延伸的光子晶體條。
2.根據權利要求1所述的一種用於行波管的耦合槽梯型慢波線，其特徵在於，所述耦 合槽 內具有一條光子晶體條，所述光子晶體條的寬度與矩形耦合槽相同，厚度小於矩形耦 合槽，光子晶體條緊貼在金屬屏蔽外殼的內表面。
3.根據權利要求1所述的一種用於行波管的耦合槽梯型慢波線，其特徵在於，所述耦 合槽內具有兩條光子晶體條，所述光子晶體條的厚度與矩形耦合槽相同，寬度小於矩形耦 合槽寬度的一半，光子晶體條緊貼在耦合槽的兩側。
全文摘要
本發明涉及一種用於行波管的耦合槽梯型慢波線。它由多組矩形金屬板沿行波管的電子束通道軸向呈周期性排列，所述矩形金屬板垂直於軸向，所述矩形金屬板的中央具有圓形孔，並且其窄邊兩端具有矩形耦合槽，所述矩形金屬板被沿軸向延伸的金屬屏蔽外殼包裹，金屬屏蔽外殼的內部呈與矩形金屬板大小匹配的矩形，其特徵在於，所述矩形耦合槽內具有至少一條沿電子束通道軸向延伸的光子晶體條。本發明的有益效果是克服了現有的耦合槽梯型慢波線存在帶寬較窄和高次模式工作不穩定的缺點。
文檔編號H01J23/24GK101840834SQ20101011843
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月5日 優先權日2010年3月5日
發明者宮玉彬, 殷海榮, 王文祥, 魏彥玉 申請人:電子科技大學