專利名稱：一種用于行波管的耦合槽梯型慢波線的制作方法
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，具體來(lái)說，涉及行波管的慢波線。
背景技術(shù)：
行波管是寬帶大功率微波源器件，廣泛用于雷達(dá)通訊和空間衛(wèi)星通訊。行波管結(jié) 構(gòu)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(tǒng)3，收集極4、金屬屏蔽外殼5、輸入波導(dǎo)6和輸出波導(dǎo)7。慢波線內(nèi)部具有一個(gè)電子束 通道8，聚束系統(tǒng)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 位于慢波線的兩端，輸入波導(dǎo)6和輸出波導(dǎo)7分別位于慢波線的兩端與電子槍1和收集極 4的結(jié)合處。電子槍提供在電子束通道中運(yùn)動(dòng)的電子束，慢波線是電磁波傳輸線，當(dāng)電磁波 在慢波線中傳輸時(shí)，其相位速度小于光速，此時(shí)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、耦合腔慢波線和折疊波導(dǎo)慢波線。聚束系統(tǒng)提供必要的磁場(chǎng)，以使電子 束的運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生改變。收集極是電子束的最終目的地。輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)用于輸入 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(yùn)動(dòng)的空間與其它空間隔離，以 提供高真空環(huán)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(dāng)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(zhǎng)度時(shí)相位的改變量的比值)基本相等時(shí)，電子束的動(dòng) 能就會(huì)轉(zhuǎn)化為電磁波能量。電子束受到電磁波電場(chǎng)和磁場(chǎng)作用，其運(yùn)動(dòng)方向必然要發(fā)生變 化，為了使電子不至于打上慢波線和金屬屏蔽外殼，需要一定的磁場(chǎng)約束電子收集極方向 運(yùn)動(dòng)，這個(gè)磁場(chǎng)就由聚束系統(tǒng)提供。作為慢波線的一種，現(xiàn)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(nèi)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(shí)，適當(dāng)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?，F(xiàn)有的耦合槽梯型慢波線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工，這是其優(yōu)點(diǎn)之一。由于行波管的輸 出功率越高，就有更大量的能量轉(zhuǎn)化為熱量消耗到慢波線上，如果慢波線散熱能力差，就無(wú) 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(dǎo)的接觸面積大，散熱 能力很強(qiáng)，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(tài))， 這是其優(yōu)點(diǎn)之二。當(dāng)電磁波在慢波線中傳輸單位長(zhǎng)度時(shí)相位的改變量(相移)增大，頻率 反而減小(負(fù)色散狀態(tài))時(shí)，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(shì)，因此耦合槽梯型慢波線具有工作電壓 低的優(yōu)點(diǎn)，這是其優(yōu)點(diǎn)之三。盡管耦合槽梯型慢波線具有如上的優(yōu)點(diǎn)，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(wěn)定的缺點(diǎn)。行波管的帶寬是指行波管的工作指標(biāo)符合規(guī)定要求時(shí)，電磁波頻率能夠變化的最大范圍。當(dāng)電磁波在慢波線中傳輸時(shí)，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(shí)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范圍也就確定了?？梢姡胁ü艿膸捠怯善渎ň€所 確定。對(duì)于耦合槽梯型慢波線，電磁波是通過電磁波耦合孔傳輸?shù)?，孔耦合的傳輸方式?jīng)Q定 了當(dāng)電磁波的頻率變化時(shí)，其相位速度變化較大，即色散很強(qiáng)，因此帶寬就較窄。在同一時(shí)刻，電磁波的電場(chǎng)或磁場(chǎng)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?？梢愿鶕?jù)這種分布的不同將電磁波區(qū)分為不同的模式，場(chǎng)分 布最簡(jiǎn)單的模式稱為基模，其余模式統(tǒng)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。由于基模的與電子束速度方向相一致的電場(chǎng)分 量較強(qiáng)，對(duì)電子束的作用也強(qiáng)，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(xiàn)有結(jié)構(gòu)和尺寸的條件下，獲得更高頻率的電磁波，產(chǎn)生更高的輸 出功率。高次模式工作時(shí)，由于電子束產(chǎn)生的噪聲等原因，基模電磁波總是存在的?；ｋ?磁波能不能對(duì)高次模式的工作形成干擾，主要取決于基模電磁波的相位速度與用于工作的 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(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它的高次模式的 相位速度總是要等于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(wěn)定。光子晶體是近期在光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)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(zhì)，或者一種介質(zhì)和一種金屬，或多種介質(zhì) 與多種金屬)在空間按一定方式交替出現(xiàn)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(xiàn)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(diǎn)是具有光子帶隙，即光子晶體具有濾波作用，特定頻段內(nèi)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。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)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(wěn)定的缺點(diǎn)，提供了一種用于行波管的耦合槽梯型慢波線，本實(shí)用新型通過在現(xiàn)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(shù)效果，克服了現(xiàn) 有技術(shù)的缺陷。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是一種用于行波管的耦合槽 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 板垂直于軸向，所述矩形金屬板的中央具有圓形孔，并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(nèi)部呈與矩形金屬板大小 匹配的矩形，所述矩形耦合槽內(nèi)具有至少一條沿電子束通道軸向延伸的光子晶體條。本實(shí)用新型的有益效果是首先，光子晶體條的引入會(huì)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(dāng)設(shè)計(jì)的光子晶體條會(huì)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(wěn)定的問題?，F(xiàn)簡(jiǎn)單闡述其原理，由于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(huì)產(chǎn)生透射和折射，如果光子晶體中使用有介質(zhì)材料，經(jīng)過通過這種透射和折射之后，電磁波的相位速度隨頻 率的改變量會(huì)減小，即色散會(huì)減弱，從而會(huì)增加行波管的帶寬。選擇適當(dāng)?shù)墓庾泳w，并經(jīng) 過適當(dāng)設(shè)計(jì)，使光子晶體的光子帶隙包含基模的頻段，這時(shí)，由于基模無(wú)法進(jìn)入光子晶體內(nèi) 部，對(duì)基模有效的耦合孔尺寸變小為除去光子晶體部分的剩余的耦合孔空間，設(shè)計(jì)時(shí)，使這 剩余部分的尺寸小于基模最高頻率截止時(shí)的對(duì)應(yīng)矩形波導(dǎo)的尺寸，則基模就無(wú)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(nèi)，它能進(jìn) 入光子晶體內(nèi)部，它所看到的是包含光子晶體在內(nèi)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(wú)法影響它的傳輸狀態(tài)?；ｋ姶挪o(wú)法在慢波 線中傳輸，自然無(wú)法與電子束速度相等并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(wěn)定的缺點(diǎn)得以解決。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)的行波管的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2是現(xiàn)有技術(shù)的光子晶體的一維結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)的光子晶體的二維結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是現(xiàn)有技術(shù)的光子晶體的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是現(xiàn)有技術(shù)的耦合槽梯型慢波線的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是現(xiàn)有技術(shù)的耦合槽梯型慢波線沿徑向的剖視圖。圖7是現(xiàn)有技術(shù)的耦合槽梯型慢波線沿軸向的剖視圖。圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例一沿徑向的剖視圖。圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例一沿軸向的剖視圖。圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例一所應(yīng)用于行波管的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖11是本實(shí)用新型實(shí)施例二沿徑向的剖視圖。圖12是本實(shí)用新型實(shí)施例二沿軸向的剖視圖。附圖標(biāo)記說明電子槍1、慢波線2、聚束系統(tǒng)3，收集極4、金屬屏蔽外殼5、輸入波 導(dǎo)6、輸出波導(dǎo)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(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做詳細(xì)的說明。實(shí)施例1 如圖5、圖8、圖9和圖10所示。一種用于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 于軸向，所述矩形金屬板13的中央具有圓形孔，并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(nèi)部呈與矩形金屬 板13大小匹配的矩形，所述耦合槽內(nèi)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，厚度小于矩形耦合槽，光子晶體條緊貼在金 屬屏蔽外殼5的內(nèi)表面。實(shí)施例2 如圖5、圖11和圖12所示。一種用于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垂直于軸向，所述矩形金屬板13的中央具有圓形孔，并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(nèi)部呈與矩形金屬板 13大小匹配的矩形，每個(gè)矩形耦合槽14內(nèi)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，寬度小于矩形耦合槽14寬度的一半，光子晶體條15緊貼在耦 合槽14的兩側(cè)。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本實(shí) 用新型的原理，應(yīng)被理解為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本實(shí)用新型公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本實(shí)用 新型實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種用于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于軸向，所述矩形金屬板的中央具有圓形孔，并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(nèi)部呈與矩形金屬板大小匹配的矩形，其特征在于，所述矩形耦合槽內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于行波管的耦合槽梯型慢波線，其特征在于，所述耦 合槽內(nèi)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，厚度小于矩形耦 合槽，光子晶體條緊貼在金屬屏蔽外殼的內(nèi)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于行波管的耦合槽梯型慢波線，其特征在于，所述耦 合槽內(nèi)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，寬度小于矩形耦 合槽寬度的一半，光子晶體條緊貼在耦合槽的兩側(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于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于軸向，所述矩形金屬板的中央具有圓形孔，并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(nèi)部呈與矩形金屬板大小匹配的矩形，其特征在于，所述矩形耦合槽內(nèi)具有至少一條沿電子束通道軸向延伸的光子晶體條。本實(shí)用新型的有益效果是克服了現(xiàn)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(wěn)定的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01J23/24GK201663141SQ201020124319
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者宮玉彬, 殷海榮, 王文祥, 魏彥玉 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)