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一种矩形槽加载曲折波导慢波线

阅读：1034发布：2020-09-26

专利汇可以提供一种矩形槽加载曲折波导慢波线专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种矩形槽加载曲折波导慢波线，涉及微波真空电子技术领域中的行波管放大器件。由一系列圆弧(或直角 ) 弯曲波导和直波导首尾连接而成曲折波导结构，在每个弯曲波导内侧沿波导宽边方向具有开口，每个开口处连接一个矩形槽，整个曲折波导和矩形槽的腔体互为连通；在曲折波导结构的中轴对称线与直波导壁和矩形槽壁的交点处开有圆形通孔；然后在所有相邻直波导壁和矩形槽壁的两个通孔之间用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管连接，形成电子注通道。本发明利用周期加载的矩形槽以改善常规曲折波导慢波线中的场分布，与普通曲折波导慢波线相比具有更高的耦合阻抗，故具有更高功率增益和输出功率；同时具有更小的体积。，下面是一种矩形槽加载曲折波导慢波线专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种矩形槽加载曲折波导慢波线，由一系列圆弧弯曲波导和直波导首尾连接而成，等同于由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成U型曲折线，形成曲折波导结构；每个圆弧弯曲波导的内侧沿波导宽边方向具有开口，每个开口处连接一个矩形槽(4)，使得矩形槽(4)处于两段直波导的中间且与直波导相互平行，而整个曲折波导和矩形槽的腔体互为连通；
在曲折波导结构的中轴对称线(2)与直波导壁和矩形槽壁的交点处开有圆形通孔；然后在所有相邻直波导壁和矩形槽壁的两个通孔之间用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道。
2.一种矩形槽加载曲折波导慢波线，由一系列直角弯曲波导和直波导首尾连接而成，等同于由矩形波导(1)沿电场面周期性弯曲成直角型曲折线，形成曲折波导结构；每个直角弯曲波导的内侧沿波导宽边方向具有开口，每个开口处连接一个矩形槽(4)，使得矩形槽(4)处于两段直波导的中间且与直波导相互平行，而整个曲折波导和矩形槽的腔体互为连通；在曲折波导结构的中轴对称线(2)与直波导壁和矩形槽壁的交点处开有圆形通孔；然后在所有相邻直波导壁和矩形槽壁的两个通孔之间用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管(3)连接，形成电子注通道。

说明书全文

一种矩形槽加载曲折波导慢波线

技术领域

[0001] 本发明属于微波真空电子技术领域，涉及行波管放大系统，尤其涉及行波管放大系统中的波导慢波线。

背景技术

[0002] 现代行波管已成为雷达、电子对抗、卫星通信、导航、遥感等电子设备的重要微波电子器件。慢波线作为行波管注-波互作用以激励放大微波能量的部件，则是行波管的核心，其性能直接决定着行波管的技术水平。在行波管中，使用最广泛的慢波结构为螺旋线和耦合腔。螺旋线的色散特性平坦，工作频带宽，在行波管中得到了广泛应用；但螺旋线行波管的输出功率受到限制，特别是当行波管工作于短厘米和毫米波段时，由于螺旋线横向尺寸极小，散热困难，其功率容量小。耦合腔的耦合阻抗高，互作用效率高，但这是以减小带宽为代价的。此外，毫米波耦合腔行波管尺寸很小，加工、装配精度要求高，成品率低，成本高。因此，寻找能工作在毫米波段，性能优良的新型行波管慢波结构就显得十分必要了。

[0003] 曲折波导慢波线，如图1所示，是一类新型全金属慢波线，它是由矩形波导1沿电场面(波导宽面)周期性弯曲成直角型曲折线或U型曲折线而形成的；在沿慢波结构的中轴对称线2的位置在波导壁上开圆形通孔；然后在慢波结构的每个周期性直角槽或U型槽的两个圆形通孔之间，用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管3连接，形成电子注通道。曲折波导慢波线沿纵向对称面的剖面图如图2所示。该慢波结构在实现大功率容量的同时，具有良好的宽带性能。该结构主要有机械强度高、散热好、功率容量大、加工比较容易以及输入输出耦合结构相对简单的优点。同时，由于可以采用微细加工技术来制造，以曲折波导慢波结构为核心的微型曲折波导行波管在毫米波段很有潜力成为一种大功率、小型辐射源，在军事电子系统以及宽带毫米波通讯等领域具有很好的应用前景。

[0004] 耦合阻抗作为表征电磁波与电子注相互作用强弱的参量，决定了行波管的增益和效率。根据已有的国内外相关实验报道，虽然曲折波导慢波结构的带宽较大，但该结构的耦合阻抗很小，使得单位长度的增益较低，从而限制了行波管整体的输出功率和增益，同时也导致结构的长度过长，难以小型化。

发明内容

[0005] 为了解决曲折波导慢波线低耦合阻抗对输出功率和增益的限制，并改善其在通频带高频区由于耦合阻抗不断下降带来的增益降低及带宽限制问题，同时减小器件体积，本发明提出了一种矩形槽加载曲折波导慢波线。

[0006] 本发明的核心出发点是利用周期加载矩形槽，改善常规曲折波导慢波线中的场分布，提高耦合阻抗，从而提高慢波线中每个单位长度的功率增益，以此提升总的输出功率并降低功率饱和时所需要的线路长度，达到高功率小型化的目的。

[0007] 本发明所采用的技术方案是：

[0008] 一种矩形槽加载曲折波导慢波线，如图3至图5所示，由一系列圆弧弯曲波导(或直角弯曲波导)和直波导首尾连接而成，等同于由矩形波导1沿电场面周期性弯曲成U型曲折线(或直角型曲折线)，形成曲折波导结构；每个圆弧弯曲波导(或直角弯曲波导)的内侧沿波导宽边方向具有开口，每个开口处连接一个矩形槽4，使得矩形槽4处于两段直波导的中间且与直波导相互平行，而整个曲折波导和矩形槽的腔体互为连通；在曲折波导结构的中轴对称线2与直波导壁和矩形槽壁的交点处开有圆形通孔；然后在所有相邻直波导壁和矩形槽壁的两个通孔之间用与圆形通孔孔径尺寸相同的金属管3连接，形成电子注通道。

[0009] 矩形槽加载曲折波导慢波结构的尺寸参数如图4和图5所示：a为矩形波导和矩形槽宽边尺寸，b为矩形波导窄边尺寸，L为单个曲折周期结构的曲折波导长度，p为单个曲折周期结构的轴向长度，r0为电子注通道的半径，b0为矩形槽窄边长度，h0为矩形槽高度。

[0010] 设定结构尺寸(单位：mm)：a＝5.1，b＝0.5，L＝3.24，p＝1.3，r0＝0.5，b0＝0.2，h0＝2.44。利用三维电磁仿真软件对矩形槽加载曲折波导慢波线进行仿真，获得其耦合阻抗特性，并与普通曲折波导相比较，结果如图6所示。曲线5为普通曲折波导慢波线的耦合阻抗特性，曲线6为矩形槽加载曲折波导慢波线的耦合阻抗特性。

[0011] 利用三维注-波互作用仿真软件对矩形槽加载曲折波导慢波线的输出功率及带宽、功率饱和时所需的器件长度分别进行仿真，并与普通曲折波导慢波线相比较。图7为功率及带宽的对比结果，其中曲线7为普通曲折波导慢波线的输出功率及带宽性能，曲线8为本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线的输出功率及带宽性能；图8为普通曲折波导慢波线功率饱和时所需器件长度的仿真结果；图9为本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线功率饱和时所需器件长度的仿真结果。

[0012] 本发明的有益效果是：

[0013] 从图6中曲线5与曲线6的比较可以明显看出，矩形槽加载曲折波导慢波线在整个工作频带内耦合阻抗都高于同频率下的普通曲折波导慢波线，并在高频端高出几倍，意味着它能更有效的支持注-波互作用，从而大幅提高慢波线的输出功率，并极大改善高频端的输出功率。

[0014] 从图7中曲线7与曲线8的比较可以清楚看到，矩形槽加载曲折波导慢波线的输出功率(35GHz时390瓦)远高于普通曲折波导慢波线的输出功率(35GHz时180瓦)，并且它在高频端的输出功率不会下降，反而上升(36GHz时430瓦)。

[0015] 从图8和图9的对比可以看出本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线功率饱和时所需的器件长度(114.4mm)比普通曲折波导慢波线(174.2mm)要短很多，大幅减小了器件的体积。附图说明

[0016] 图1是普通曲折波导慢波线的立体结构示意图。

[0017] 图2是普通曲折波导慢波线沿纵轴方向的剖面示意图。

[0018] 图3是本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线的立体结构示意图。

[0019] 图4是本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线沿平行于波导宽边方向的中轴对称面的剖面示意图。

[0020] 图5是本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线沿垂直于波导宽边方向的中轴对称面的剖面示意图。

[0021] 图6是本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线与普通曲折波导慢波线的耦合阻抗特性对比图。

[0022] 图7是本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线与普通曲折波导慢波线的功率及带宽性能对比图。

[0023] 图8是普通曲折波导慢波线功率饱和时所需器件长度的仿真结果。

[0024] 图9是本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线功率饱和时所需器件长度的仿真结果。

[0025] 在以上各图中：1是矩形波导，2是慢波结构的中轴对称线，3是形成电子注通道的金属管，4是矩形槽，曲线5是普通曲折波导慢波线的耦合阻抗特性，曲线6是本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线的耦合阻抗特性，曲线7是普通曲折波导慢波线的功率及带宽特性，曲线8是本发明提供的矩形槽加载曲折波导慢波线的功率及带宽特性。具体实施方案

[0026] 如图5，在8mm毫米波段，矩形槽加载曲折波导慢波线具体实施方案的结构尺寸为(单位：mm)：a＝5.1，b＝0.5，L＝3.24，p＝1.3，r0＝0.5，b0＝0.2，h0＝2.44。利用三维电磁仿真软件和三维注-波互作用仿真软件对矩形槽加载曲折波导慢波线进行仿真，获得其耦合阻抗、输出功率、带宽、功率饱和时所需的器件长度等性能，并与普通曲折波导慢波线相比较。矩形槽加载曲折波导慢波线有着更高的耦合阻抗，能以更小的体积输出高于普通曲折波导慢波线2倍以上的功率，并且在工作频带高端它的功率还会继续升高，改善了普通曲折波导慢波线工作频带高端增益下降的问题。

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