專利名稱：一種用于行波管的慢波線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微波真空電子技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，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6和輸出波導7。慢波線內(nèi)部具有一個電子束 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6和輸出波導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，其相位速度小于光速，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、耦合腔慢波線和折疊波導慢波線。聚束系統(tǒng)提供必要的磁場，以使電子 束的運動方向不發(fā)生改變。收集極是電子束的最終目的地。輸入波導和輸出波導用于輸入 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動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(zhuǎn)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(fā)生變 化，為了使電子不至于打上慢波線和金屬屏蔽外殼，需要一定的磁場約束電子收集極方向 運動，這個磁場就由聚束系統(tǒng)提供。行波管的聚束系統(tǒng)可以是螺線管、均勻磁場或周期永磁聚束系統(tǒng)。其中，周期永磁 聚束系統(tǒng)是由永磁材料和軟磁材料構(gòu)成，永磁材料如釤鈷(SmCo)等呈一維周期性排列，在 永磁材料之間填充如純鐵等軟磁材料。周期永磁聚束系統(tǒng)重量輕，成本低，不需要額外的能 源裝置，因此是行波管的首選聚束系統(tǒng)。但是，周期永磁聚束系統(tǒng)所能提供的磁場是十分有 限的，并且，離周期永磁聚束系統(tǒng)的永磁體的表面越遠，磁場越小。行波管中，聚束系統(tǒng)是放 在金屬屏蔽外殼外面的，當慢波線的橫截面尺寸較大時，聚束系統(tǒng)離電子束運動的中心位 置就會更遠，電子束所在區(qū)域的磁場就會較弱。傳統(tǒng)行波管通常利用基模工作的。在金屬屏蔽外殼封閉的慢波線所在的空間中， 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、慢波 線和金屬邊界條件共同決定的?？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 分布最簡單的模式稱為基模，其余模式統(tǒng)稱為高次模式。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。對于慢波線而言，只有特定頻段內(nèi)的電磁波才能在其中傳輸，這個特定頻段被稱 為慢波線的通帶。處于慢波線通帶上下邊緣的電磁波容易被放大，對基模電磁波的工作形 成干擾，引起行波管工作不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象被稱為帶邊振蕩。帶邊振蕩在使用耦合腔、折疊波導等具有形如開放式腔的慢波線的行波管中最為嚴重。由于電子束產(chǎn)生的噪聲等原因，在行波管中，盡管振幅有可能很微弱，高次模式電 磁波總是存在的。如果高次模式電磁波的相位速度與電子束的速度基本相等，這個高次模 式電磁波就會被放大，從而干擾基模電磁波的工作，使行波管工作不穩(wěn)定。在使用螺旋線為 慢波線的行波管中，這種情況表現(xiàn)為輸出功率在某個頻率上十分低，常被稱為“功率洞”現(xiàn)象。出現(xiàn)“功率洞”或者帶邊振蕩時，與基模電磁波相競爭的電磁波都是高次模式電磁 波，高次模式電磁波的頻率與基模是不相同的。因此，如果將金屬屏蔽外殼用一個具有濾波 功能的結(jié)構(gòu)代替，使高次模式電磁波可以通過這個結(jié)構(gòu)傳輸?shù)酵饨纾瑥亩粸V波器濾掉，而 基模電磁波則不受影響，就可以解決“功率洞”和帶邊振蕩問題。由于金屬屏蔽外殼的作用 是提供真空環(huán)境，因此要求這個濾波結(jié)構(gòu)應能夠提供真空環(huán)境。光子晶體是近期在光學領(lǐng)域發(fā)展起來的一類全新的人工材料。如圖3、圖4、圖5 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。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是為了使行波管可以實現(xiàn)聚束電子束的同時能夠?qū)Ω叽文Ｊ?電磁波進行過濾的功能，提供了一種用于行波管的慢波線。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案是一種用于行波管的慢波線， 由多組光子晶體單元沿行波管的電子束通道軸向排列，所述光子晶體單元的內(nèi)部為中空結(jié) 構(gòu)，多組光子晶體單元的中空結(jié)構(gòu)組成行波管的電子束通道，所述光子晶體單元的前景材 料沿徑向呈二維周期性排列，所述背景材料填充滿前景材料的間隙，光子晶體單元之間通 過在軸向上呈周期性排列的金屬隔板固定連接在一起并被其隔離，所述光子晶體單元的前 景材料使用合金永磁材料，背景材料采用鐵氧體永磁材料，金屬隔板采用軟磁材料。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的還提供了另一方案一種用于行波管的慢波線， 由多組光子晶體單元沿行波管的電子束通道軸向排列，所述光子晶體單元對稱分為上下兩 列，兩列光子晶體單元之間的間隙組成行波管的電子束通道，所述光子晶體單元的前景材 料沿徑向呈二維周期性排列，所述背景材料填充滿前景材料的間隙，光子晶體單元之間通 過金屬隔板固定連接在一起并被其隔離，所述光子晶體單元的前景材料使用合金永磁材 料，背景材料采用鐵氧體永磁材料，金屬隔板采用軟磁材料。本實用新型的有益效果是在一個結(jié)構(gòu)中同時實現(xiàn)了聚束電子束，提供慢電磁波 和濾除高次模式電磁波的三個功能。其原理是首先，周期性的軟磁材料與永磁材料的混和 結(jié)構(gòu)實際上就是一種變化了周期的永磁結(jié)構(gòu)，能夠提供與常規(guī)的周期永磁聚束系統(tǒng)相當?shù)?磁場，而且電子束通道緊鄰該結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，二者的距離很近，因此該結(jié)構(gòu)提供磁場的能力與 以前的周期永磁聚束系統(tǒng)是相同的。其次，當電磁波在該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部傳播時，由于該結(jié)構(gòu)是一種周期性結(jié)構(gòu)，電磁波的相位速度可以小于光速而與電子束速度基本相等，因此該結(jié)構(gòu) 不需要額外的電路結(jié)構(gòu)提供電磁慢波。最后，這樣的一個周期性陣列又是一種特殊的光子 晶體，具有光子帶隙和濾波功能，只要將各個結(jié)構(gòu)參數(shù)取得合理，就可以濾除高次模式電磁 波；并且，當高次模式電磁波進入其中傳輸時，會受到該結(jié)構(gòu)的強烈的磁損耗，進一步達到 了消除高次模式電磁波的目的，而基模電磁波處在光子帶隙之內(nèi)，進入該結(jié)構(gòu)之后，很快就 被該結(jié)構(gòu)所全反射，其受到的磁損耗是有限的。
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是本實用新型實施例一的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本實用新型實施例一沿軸向的剖視圖。圖7是本實用新型實施例一沿徑向的剖視圖。圖8是本實用新型實施例一所應用的行波管的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖9是本實用新型實施例二的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本實用新型實施例二沿軸向的剖視圖。圖11是本實用新型實施例二沿徑向的剖視圖。附圖標記說明電子槍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6、輸出波導7、電子束通道8、電磁波9、電子束10、前景材料111、背景材料12、金屬隔板 13、光子晶體單元14。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型做詳細的說明。實施例1 如圖5、圖6和圖7所示。一種用于行波管的慢波線，由多組光子晶體單 元14沿行波管的電子束通道8軸向排列，所述光子晶體單元14的內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，多組光 子晶體單元14的中空結(jié)構(gòu)組成行波管的電子束通道8，所述光子晶體單元14的前景材料 11沿徑向呈二維周期性排列，所述背景材料12填充滿前景材料11的間隙，光子晶體單元 14之間通過在軸向上周期性排列的金屬隔板13固定連接在一起并被其隔離。所述光子晶 體單元14的前景材料11使用合金永磁材料，如釤鈷(SmCo)、釹鐵硼(Nd2Fel4B)或鋁鎳鈷 (AlNiCo)等材料；背景材料12采用鐵氧體永磁材料；金屬隔板13采用軟磁材料，如純鐵或 鐵合金。本實施例中，光子晶體單元之間通過焊接的方式固定連接在金屬隔板13之間。本 實施例中，光子晶體單元14的截面呈圓環(huán)形，中間的通孔形成了圓形的電子束通道8。如圖8所示，本實施例應用于行波管中時，當電磁波9在該結(jié)構(gòu)的內(nèi)部傳播時，由 于該結(jié)構(gòu)是一種周期性結(jié)構(gòu)，電磁波9的相位速度可以小于光速而與電子束10速度基本相 等，因此該結(jié)構(gòu)不需要額外的電路結(jié)構(gòu)提供電磁慢波。最后，這樣的一個周期性陣列又是 一種特殊的光子晶體，具有光子帶隙和濾波功能，只要將各個結(jié)構(gòu)參數(shù)取得合理，就可以濾 除高次模式電磁波；并且，當高次模式電磁波進入其中傳輸時，會受到該結(jié)構(gòu)的強烈的磁損耗，進一步達到了消除高次模式電磁波的目的，而基模電磁波處在光子帶隙之內(nèi)，進入該結(jié) 構(gòu)之后，很快就被該結(jié)構(gòu)所全反射，其受到的磁損耗是有限的。實施例2 如圖9、圖10和圖11所示，一種用于行波管的慢波線，由多組光子晶體 單元14沿行波管的電子束通道8軸向排列，所述光子晶體單元14對稱分為上下兩列，兩列 光子晶體單元14之間的間隙組成行波管的電子束通道8，所述光子晶體單元14的前景材 料11沿徑向呈二維周期性排列，所述背景材料12填充滿前景材料11的間隙，光子晶體單 元14之間通過金屬隔板13固定連接在一起并被其隔離。所述光子晶體單元14的前景材 料11使用合金永磁材料，如釤鈷(SmCo)、釹鐵硼(Nd2Fel4B)或鋁鎳鈷(AlNiCo)等材料； 背景材料12采用鐵氧體永磁材料；金屬隔板13采用軟磁材料，如純鐵或鐵合金。本實施例 中，光子晶體單元之間通過焊接的方式固定連接在金屬隔板13之間。本實施例中，光子晶 體單元14的截面呈矩形，上下兩列光子晶體單元之間的間隙形成了矩形的電子束通道8。通過對上述實施例結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，可以使基模電磁波處在光子帶隙之內(nèi)，而高 次模式電磁波處在光子帶隙之外。由于受到該結(jié)構(gòu)的全反射，基模電磁波的場能量主要集 中于電子束通道附近，而高次模式電磁波則能夠進入該結(jié)構(gòu)向外界空間傳輸，同時受到強 烈的磁損耗。這樣，就避免了高次模式電磁波對基模電磁波工作的干擾。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實 用新型的原理，應被理解為本實用新型的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本實用新型公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本實用 新型實質(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用新型的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求一種用于行波管的慢波線，由多組光子晶體單元沿行波管的電子束通道軸向排列，其特征在于，所述光子晶體單元的內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，多組光子晶體單元的中空結(jié)構(gòu)組成行波管的電子束通道，所述光子晶體單元的前景材料沿徑向呈二維周期性排列，所述背景材料填充滿前景材料的間隙，光子晶體單元之間通過在軸向上呈周期性排列的金屬隔板固定連接在一起并被其隔離，所述光子晶體單元的前景材料使用合金永磁材料，背景材料采用鐵氧體永磁材料，金屬隔板采用軟磁材料。
2.一種用于行波管的慢波線，由多組光子晶體單元沿行波管的電子束通道軸向排列， 其特征在于，所述光子晶體單元對稱分為上下兩列，兩列光子晶體單元之間的間隙組成行 波管的電子束通道，所述光子晶體單元的前景材料沿徑向呈二維周期性排列，所述背景材 料填充滿前景材料的間隙，光子晶體單元之間通過金屬隔板固定連接在一起并被其隔離， 所述光子晶體單元的前景材料使用合金永磁材料，背景材料采用鐵氧體永磁材料，金屬隔 板采用軟磁材料。
專利摘要本實用新型涉及一種用于行波管的慢波線。它由多組光子晶體單元沿行波管的電子束通道軸向排列，所述光子晶體單元的內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，多組光子晶體單元的中空結(jié)構(gòu)組成行波管的電子束通道，所述光子晶體單元的前景材料沿徑向呈二維周期性排列，所述背景材料填充滿前景材料的間隙，光子晶體單元之間通過在軸向上呈周期性排列的金屬隔板固定連接在一起并被其隔離，所述光子晶體單元的前景材料使用合金永磁材料，背景材料采用鐵氧體永磁材料，金屬隔板采用軟磁材料。本實用新型的有益效果是在一個結(jié)構(gòu)中同時實現(xiàn)了聚束電子束，提供慢電磁波和濾除高次模式電磁波的三個功能。
文檔編號H01J23/24GK201663142SQ201020124320
公開日2010年12月1日 申請日期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 申請人:電子科技大學