專(zhuān)利名稱(chēng)：曲折槽波導(dǎo)慢波線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微波電子管技術(shù)領(lǐng)域，涉及微波管高頻系統(tǒng)中的慢波線結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
作為微波傳輸線的普通波導(dǎo)工作到毫米波特別是短毫米波波段時(shí)，尺寸將變得十 分小，極大地限制了傳輸微波的功率容量，同時(shí)，損耗卻迅速增加，比如，在200GHz頻率下， 矩形波導(dǎo)的尺寸只有1. 092mmX0. 546mm，理論損耗達(dá)到9. 7dB/m，實(shí)際測(cè)量達(dá)到的損耗更 高達(dá)40dB/m，過(guò)模波導(dǎo)雖然可以增大波導(dǎo)尺寸，但卻存在嚴(yán)重的高次模式競(jìng)爭(zhēng)。 槽波導(dǎo)是上世紀(jì)六十年代提出的一種波導(dǎo)傳輸線，如圖1所示，它由上、下金屬板 1、2，以及在金屬板上加工出的槽3組成，槽3的形狀可以是圓弧形、半圓形、矩形、橢圓形、 三角形、梯形等，也可以是任意其它形狀。圖2給出了幾種槽形的槽波導(dǎo)的橫截面圖，圖中 同時(shí)給出了在槽波導(dǎo)中基模高頻場(chǎng)的分布，細(xì)實(shí)線為電力線，虛線為磁力線，具有其它槽形 的槽波導(dǎo)中的基模高頻場(chǎng)分布與此類(lèi)似?？梢钥闯鲞@種場(chǎng)分布類(lèi)似于圓波導(dǎo)中的TEu模， 它具有下述特點(diǎn) (1)在槽波導(dǎo)橫截面的中心軸線方向上，電場(chǎng)具有橫向最大值，當(dāng)電子注沿著該方 向通過(guò)時(shí)，就將與場(chǎng)發(fā)生最有效的相互作用； (2)場(chǎng)主要集中在槽區(qū)，隨著離開(kāi)槽區(qū)距離的增加，基模場(chǎng)將迅速衰減，以致當(dāng)離 開(kāi)槽區(qū)達(dá)到一定距離后，基模場(chǎng)實(shí)際上已趨于零。 槽波導(dǎo)克服了普通波導(dǎo)在尺寸和損耗方面的不足，具有尺寸大、損耗小，單模工作 頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因而特別適合在毫米波、亞毫米波波段應(yīng)用。以圓波導(dǎo)和半圓形槽波導(dǎo) 比較為例，普通圓波導(dǎo)的TEn模單模工作范圍是2.61R〈 A <3. 14R，其中R為圓波導(dǎo)半 徑，A為微波波長(zhǎng)；而半圓形槽波導(dǎo)的單模工作范圍可以達(dá)到0.99R〈 A 〈3.27R，遠(yuǎn)大于 圓波導(dǎo)的工作頻率范圍，其中R為半圓形槽的曲率半徑；反之，若單模工作頻率范圍不變， 則半圓形槽波導(dǎo)的尺寸就可以比圓波導(dǎo)尺寸大得多，從而功率容量也相應(yīng)提高；至于損耗， 同樣在200GHz頻率下，根據(jù)兩塊金屬板1與2之間距離的不同，矩形槽波導(dǎo)的損耗大約在 1 5dB/m之間，比同頻率下的矩形波導(dǎo)的理論損耗9. 7dB/m小得多。 將矩形窄波導(dǎo)順其寬邊(E面)來(lái)回折彎就形成曲折矩形波導(dǎo)(折彎時(shí)可以采用 直角彎，也可以是圓弧彎)。圖3給出了圓弧彎普通曲折矩形波導(dǎo)的立體示意圖，圖中4為 矩形窄波導(dǎo)。折彎時(shí)，除了圓弧彎曲部分5外，還有一段直波導(dǎo)部分6，沿著普通曲折波導(dǎo)的 中軸線開(kāi)一個(gè)縱向貫通的圓形孔，相鄰兩個(gè)曲折單元的直波導(dǎo)的圓形通孔之間，采用與圓 形通孔孔徑尺寸相同的金屬管連接，形成電子注通道7，從而構(gòu)成曲折波導(dǎo)慢波線。圖3中 同時(shí)也畫(huà)出了矩形波導(dǎo)中TEw模的電力線分布。 沿通過(guò)曲折波導(dǎo)慢波線中軸線且平行于矩形波導(dǎo)窄邊的中心平面剖開(kāi)，可將曲折 波導(dǎo)慢波線一分為二。因此，現(xiàn)有的曲折波導(dǎo)慢波線通常采用兩塊半金屬板制作其中一半 金屬板如圖4所示(另一半金屬板與它完全對(duì)稱(chēng))，在兩塊半金屬板上分別加工出半曲折 矩形波導(dǎo)和半圓金屬通孔8，然后將兩塊金屬板合在一起形成完整的曲折矩形波導(dǎo)慢波線(兩個(gè)半圓通孔8合在一起正好形成圓形電子注通道7)。 由于矩形波導(dǎo)中基模TE1Q模的電力線垂直于波導(dǎo)寬邊，因而矩形波導(dǎo)經(jīng)折彎形成 曲折波導(dǎo)后，電力線方向?qū)⒄迷谇鄄▽?dǎo)的縱向(即中軸線方向)，當(dāng)電子注在電子注通 道7中通過(guò)時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)方向與高頻電場(chǎng)方向就會(huì)相同或相反，從而相互作用而產(chǎn)生能量 交換，在一定條件下，使微波場(chǎng)得到放大；同時(shí)微波沿矩形波導(dǎo)曲折傳輸，它在曲折波導(dǎo)縱 向的相速就慢了下來(lái)。可見(jiàn)，曲折波導(dǎo)可以成為微波管中發(fā)生注-波互作用的最重要的高 頻系統(tǒng)之一 _慢波線，曲折矩形波導(dǎo)慢波線已被廣泛應(yīng)用于毫米波行波管中。 由于普通矩形波導(dǎo)工作到毫米波特別是短毫米波波段時(shí)，尺寸將變得十分小，極 大地限制了傳輸微波的功率容量，同時(shí)，損耗卻迅速增加；因此基于矩形波導(dǎo)的曲折矩形波 導(dǎo)慢波線工作到毫米波特別是短毫米波波段時(shí)，同樣存在尺寸小，傳輸微波的功率容量低， 而損耗增加的缺陷，從而極大地限制了曲折矩形波導(dǎo)慢波線的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種曲折槽波導(dǎo)慢波線，該慢波線與現(xiàn)有的曲折矩形波導(dǎo)慢波線 相比具有寬頻帶、大尺寸、低損耗的特點(diǎn)，且具有更高的輸出功率和效率；同時(shí)，該慢波線還 具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加工精度要求低和加工容易的特點(diǎn)。 本實(shí)用新型基于普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線同樣的原理，將槽波導(dǎo)中的槽來(lái)回折彎
成曲折槽波導(dǎo)(其折彎方式同樣可以是直角折彎，也可以是圓弧折彎)，即形成本實(shí)用新型
的曲折槽波導(dǎo)慢波線。 本實(shí)用新型技術(shù)方案如下 曲折槽波導(dǎo)慢波線，如圖5所示，包括相互平行的上金屬板1和下金屬板2，兩塊金
屬板上均具有曲折槽3，所述曲折槽3由系列彎曲槽部分9和直槽部分10首尾連接而成，且
上、下金屬板的曲折槽3相對(duì)于上、下金屬板之間的中心平面呈鏡面對(duì)稱(chēng)；上、下金屬板之
間通過(guò)位于上、下金屬板長(zhǎng)邊邊緣位置的支撐壁11(如圖7所示)固定在一起。整個(gè)曲折
槽波導(dǎo)相當(dāng)于將槽波導(dǎo)中的槽來(lái)回折彎而成，其折彎方式可以是直角折彎，也可以是圓弧
折彎；即曲折槽3的彎曲槽部分9可以是直角彎曲槽，也可以是圓弧彎曲槽。 上述方案中，所述曲折槽3的橫截面形狀可以是圓弧、半圓形、矩形、橢圓形、三角
形或梯形，也可以是其它任意形狀。所述支撐壁11的材料可以是金屬、絕緣材料或微波吸
收材料。 需要說(shuō)明的是，由于槽波導(dǎo)中高頻場(chǎng)的電力線是接近平行于上、下金屬板而不是 垂直于金屬板的，因而折彎時(shí)，不能對(duì)金屬板進(jìn)行折彎，而是順槽的方向?qū)Σ圻M(jìn)行來(lái)回折 彎。曲折槽波導(dǎo)單片金屬板的形狀如圖6所示，另一片的形狀也完全與它對(duì)稱(chēng)。不難看出， 如果槽是矩形的，則曲折槽波導(dǎo)的單片金屬板與普通曲折矩形波導(dǎo)的一半金屬板在形狀上 是基本相同的，只是曲折槽波導(dǎo)上已沒(méi)有專(zhuān)門(mén)作為電子注通道的半圓形通孔8。這是因?yàn)椋?曲折槽波導(dǎo)的兩片金屬板合在一起形成完整的慢波線時(shí)，兩片金屬板并不接觸，中間留有 一定距離，這一間距自然形成了電子注的通路；而普通曲折矩形波導(dǎo)兩半金屬板合在一起 時(shí)，必須完全合攏并牢固結(jié)合在一起，才能形成完整的曲折矩形波導(dǎo)慢波線，顯然，這時(shí)在 中軸線上單獨(dú)開(kāi)專(zhuān)門(mén)的圓形通孔來(lái)形成電子注通道成為必須；另外，正是由于槽波導(dǎo)上、下 金屬板之間有間隙，因而曲折矩形槽波導(dǎo)單片金屬板上的槽深就比普通曲折矩形波導(dǎo)半金屬板上的槽深要淺一些。
本實(shí)用新型提供的曲折槽波導(dǎo)慢波線的優(yōu)越性在于 (1)槽波導(dǎo)所具有的寬頻帶、大尺寸、低損耗的特點(diǎn)，在曲折槽波導(dǎo)中同樣具有； (2)在曲折槽波導(dǎo)中基模高頻場(chǎng)在上、下金屬板之間的中心對(duì)稱(chēng)面上具有最強(qiáng)的
縱向電場(chǎng)，因此與電子注發(fā)生互作用最有效，有利于提高微波管的輸出功率和效率； (3)在曲折槽波導(dǎo)中，分離的上下金屬板之間將自然形成電子注通道，并允許帶狀
電子注通過(guò)，比之普通曲折波導(dǎo)的圓孔電子注通道，在帶狀電子注厚度與圓柱形電子注直
徑相同時(shí)，帶狀電子注的寬度可以比厚度大很多，因此在電流密度不變的情況下，帶狀電子
注的總電流就可以比圓柱形電子注大得多，參與互作用的電流增加，微波管的輸出功率就
可以增加，由此可見(jiàn)，曲折槽波導(dǎo)慢波線行波管可以比普通曲折波導(dǎo)行波管在相同尺寸下
獲得更大的輸出功率。 (4)由于在槽波導(dǎo)中，只要離開(kāi)槽一定的距離，基模場(chǎng)就會(huì)衰減到很小，因此，在曲 折槽波導(dǎo)慢波線中，我們可以很方便地在離開(kāi)槽一定距離后，用支撐壁來(lái)支持固定上下金 屬板，如圖7所示，支撐壁11可以是金屬，也可以是絕緣材料或微波吸收材料，只要正確設(shè) 計(jì)曲折槽波導(dǎo)，不論什么支撐壁都不會(huì)影響槽波導(dǎo)對(duì)基模的傳輸。 (5)曲折槽波導(dǎo)由于上下金屬板的分離，上下金屬板合在一起時(shí)中間有間距，因此 降低了對(duì)上下金屬板中槽的對(duì)準(zhǔn)要求，而普通曲折矩形波導(dǎo)，由于必須使兩半金屬板合攏 成整體，這樣就要求兩塊金屬板上的波導(dǎo)槽必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)以形成完整的內(nèi)壁光滑的矩形窄 波導(dǎo)，并且要通過(guò)特殊方法將兩塊半金屬板緊密牢固結(jié)合在一起。因而加工精度要求十分 嚴(yán)格，工藝相對(duì)復(fù)雜。 基于曲折槽波導(dǎo)的這些優(yōu)點(diǎn)，因此它更適合于在毫米波、亞毫米波波段行波管中 作慢波線應(yīng)用。

圖1是槽波導(dǎo)示意圖，圖中(a)是圓弧形槽波導(dǎo)，(b)是矩形槽波導(dǎo)。 圖2是四種槽形的槽波導(dǎo)橫截面圖，槽形分別為(a)三角形，(b)梯形，(c)半圓
形和(d)矩形。圖中給出了槽波導(dǎo)中基模高頻電磁場(chǎng)的分布，細(xì)實(shí)線為電力線，虛線為磁力線。 圖3為普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線的立體示意圖，圖中同時(shí)給出了矩形波導(dǎo)中TE1Q 模電力線分布。 圖4為實(shí)際加工出的普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線的半金屬板的圖形。 圖5是本實(shí)用新型提供的曲折圓弧槽波導(dǎo)慢波線的立體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為實(shí)際加工出的曲折圓弧槽波導(dǎo)慢波線的半金屬板圖形。 圖7是本實(shí)用新型提供的曲折矩形槽波導(dǎo)慢波線的結(jié)構(gòu)示意圖。
以上各圖中，1為槽波導(dǎo)上金屬板；2為槽波導(dǎo)下金屬板；3為槽波導(dǎo)的槽；4為形
成曲折矩形波導(dǎo)的矩形窄波導(dǎo)形狀及T^。模電力線分布；5為普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線中 的彎曲波導(dǎo)部分；6為普通曲折矩形波導(dǎo)慢波線中的直波導(dǎo)部分；7為電子注通道；8則是 在實(shí)際加工出的曲折矩形波導(dǎo)一半金屬板上的半圓通孔；9是曲折槽波導(dǎo)慢波線中的彎曲 槽波導(dǎo)部分；10是曲折槽波導(dǎo)慢波線中的直槽波導(dǎo)部分；11是曲折槽波導(dǎo)慢波線上下金屬板之間的支撐側(cè)壁。
具體實(shí)施方式
圖5和圖7給出了兩種曲折槽波導(dǎo)慢波線的具體實(shí)施方式
。 圖5是一種曲折圓弧槽波導(dǎo)慢波線的立體結(jié)構(gòu)示意圖，這里為了能清楚看到槽的
曲折情形，忽略了金屬板的厚度；同時(shí)忽略了上、下金屬板之間的支撐壁。 圖7是一種曲折矩形槽波導(dǎo)慢波線的立體結(jié)構(gòu)示意圖。上、下金屬板應(yīng)該是在有
一定厚度的金屬板上直接挖曲折槽形成，與圖6類(lèi)似。這里為了能清楚看到槽的曲折情形，
忽略了金屬板的厚度。上、下金屬板之間采用了氧化鈹陶瓷條11支撐。
權(quán)利要求曲折槽波導(dǎo)慢波線，包括相互平行的上金屬板(1)和下金屬板(2)，兩塊金屬板上均具有曲折槽(3)；其特征是，所述曲折槽(3)由系列彎曲槽部分(9)和直槽部分(10)首尾連接而成，且上、下金屬板的曲折槽(3)相對(duì)于上、下金屬板之間的中心平面呈鏡面對(duì)稱(chēng)；上、下金屬板之間通過(guò)位于上、下金屬板長(zhǎng)邊邊緣位置的支撐壁(11)固定在一起；整個(gè)曲折槽波導(dǎo)相當(dāng)于將槽波導(dǎo)中的槽來(lái)回折彎而成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的曲折槽波導(dǎo)慢波線，其特征在于，所述曲折槽(3)的彎曲槽部 分(9)是直角彎曲槽。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的曲折槽波導(dǎo)慢波線，其特征在于，所述曲折槽(3)的彎曲槽部 分(9)是圓弧彎曲槽。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的曲折槽波導(dǎo)慢波線，其特征在于，所述曲折槽(3)的橫 截面形狀為圓弧、半圓形、矩形、橢圓形、三角形或梯形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的曲折槽波導(dǎo)慢波線，其特征在于，所述支撐壁(11)的材料為 金屬、絕緣材料或微波吸收材料。
專(zhuān)利摘要曲折槽波導(dǎo)慢波線，屬于微波電子管技術(shù)領(lǐng)域，涉及微波管高頻系統(tǒng)中的慢波線結(jié)構(gòu)。它是由槽波導(dǎo)順槽的方向?qū)Σ圻M(jìn)行來(lái)回折彎形成的，槽波導(dǎo)中基模的電場(chǎng)將在慢波線縱軸上最強(qiáng)，與電子注正好產(chǎn)生最強(qiáng)的互作用；槽波導(dǎo)上、下金屬板之間有間隔，無(wú)需要專(zhuān)門(mén)的電子注通道，而支撐上、下金屬板間隔的側(cè)壁可以是金屬、絕緣材料或微波吸收材料。本實(shí)用新型提供的曲折槽波導(dǎo)將保留有槽波導(dǎo)所具有的大尺寸、低損耗、寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，曲折槽波導(dǎo)慢波線還具有允許大尺寸電子注通過(guò)，因而具有更高的輸出功率和效率；同時(shí)，該慢波線還具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加工精度要求低和加工容易的特點(diǎn)。本實(shí)用新型提供的曲折槽波導(dǎo)慢波線更適合在毫米波、亞毫米波波段行波管中應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01P9/00GK201540945SQ200920082778
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者唐濤, 宮玉彬, 岳玲娜, 王文祥, 趙國(guó)慶, 魏彥玉 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)