一種平面槽線的慢波結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明設(shè)計(jì)屬于微波電真空技術(shù)領(lǐng)域，涉及行波管放大器件。
【背景技術(shù)】
[0002]電真空器件作為一類重要的微波，毫米波源，被廣泛應(yīng)用在雷達(dá)、制導(dǎo)、通信、微波遙感等領(lǐng)域，被譽(yù)為武器裝備的“心臟”，其性能直接決定著整體裝備的水平。隨著航空航天工程和電子技術(shù)水平的飛速發(fā)展，迫切需要結(jié)構(gòu)和加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、寬頻帶、大功率、小體積、低成本的功率源。如何在保證電真空器件的高功率，高效率，高頻帶，寬帶寬的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)小型化，低電壓，從而更好地適應(yīng)科技發(fā)展的需求，是電真空器件一個(gè)重要的發(fā)展方向。
[0003]隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的電真空器件越來越多地受到了固態(tài)器件的挑戰(zhàn)，固態(tài)器件體積小、重量輕，但是功率小、帶寬窄，無法滿足裝備系統(tǒng)對(duì)功率和帶寬的要求。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，作為信號(hào)處理電路中應(yīng)用的小功率行波管已經(jīng)被固體器件代替，然而需要大功率技術(shù)的地方，如電子戰(zhàn)系統(tǒng)，衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器或者衛(wèi)星廣播發(fā)射機(jī)，行波管可以提供獨(dú)到的好處，目前已發(fā)展為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)性器件。
[0004]1943年，物理學(xué)家R.康夫納在英國制出世界上第一只行波管，1947年美國物理學(xué)家J.皮爾斯發(fā)表對(duì)行波管的理論分析。現(xiàn)代行波管已成為雷達(dá)、電子對(duì)抗、中繼通信、衛(wèi)星通信、電視直播衛(wèi)星、導(dǎo)航、遙感、遙控、遙測(cè)等電子設(shè)備的重要微波電子器件。行波管的特點(diǎn)是頻帶寬、增益高、動(dòng)態(tài)范圍大和噪聲低。行波管頻帶寬度可達(dá)100%以上，增益在25?70分貝范圍內(nèi)，低噪聲行波管的噪聲系數(shù)最低可達(dá)I?2分貝。
[0005]行波管在結(jié)構(gòu)上包括電子槍、慢波電路、集中衰減器、能量耦合器、聚焦系統(tǒng)和收集極等部分。電子槍的作用是形成符合設(shè)計(jì)要求的電子注。聚焦系統(tǒng)使電子注保持所需形狀，保證電子注順利穿過慢波電路并與微波場(chǎng)發(fā)生有效的相互作用，最后由收集極接收電子注。待放大的微波信號(hào)經(jīng)輸入能量耦合器進(jìn)入慢波電路，在行波管中，電子注同慢波電路中行進(jìn)的微波場(chǎng)發(fā)生相互作用，在長達(dá)6?40個(gè)波長的慢波電路中電子注連續(xù)不斷地把動(dòng)能交給微波信號(hào)場(chǎng)，從而使信號(hào)得到放大。
[0006]平面行波管是結(jié)合真空器件和固態(tài)器件而提出的一種具有寬頻帶、高效率、重量輕、體積小的真空器件。但是這類平面慢波結(jié)構(gòu)存在著一些關(guān)鍵問題制約著以這類慢波結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的小型化行波管的發(fā)展，其中之一就是介質(zhì)底板上的電子累積問題，電真空器件的流通率在實(shí)際當(dāng)中不可能達(dá)到100%，也就是說在真空器件工作時(shí)，總會(huì)有電子打到慢波結(jié)構(gòu)上，傳統(tǒng)的器件如螺旋線行波管，雖然體積龐大且非常笨重，但由于電子一般都是直接打到具有良好的導(dǎo)電性能的金屬螺旋線上，因此電子可以直接被導(dǎo)走。而目前的平面慢波結(jié)構(gòu)都是在介質(zhì)基底上采用印制電路板的方式加工的，在實(shí)際的注波互作用過程中當(dāng)電子打到介質(zhì)基板上的時(shí)候，由于介質(zhì)的不導(dǎo)電性，電子將在介質(zhì)基板上積累，引起電位下降，從而改變電子注的聚焦情況，此過程不但會(huì)毀壞介質(zhì)基板，影響慢波結(jié)構(gòu)的性能，而且在嚴(yán)重的情況下會(huì)導(dǎo)致行波管無法工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明在于提供了一種平面槽線慢波結(jié)構(gòu)，采用帶狀電子注與電磁波進(jìn)行互作用，其具有較寬的工作帶寬和較低的工作電壓，且能夠避免由于擾動(dòng)而不受約束的電子直接打到介質(zhì)基片上，從而有效解決微帶慢波結(jié)構(gòu)的電子累積的問題，是一種具有較大潛力的適用于小型化平面行波管的慢波結(jié)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)上述目的:
[0009]本發(fā)明包括介質(zhì)基底2和位于介質(zhì)基底2表面的金屬層I，所述金屬層I上刻一條槽線，其特征在于，所述槽線的形狀為周期性彎折曲線；
[0010]上述窄槽可以為N形、正弦曲線、V形等周期性結(jié)構(gòu)；
[0011]根據(jù)周期性慢波結(jié)構(gòu)的作用原理結(jié)合本發(fā)明的技術(shù)方案，定義所述槽線的一個(gè)單元周期長度為P，則所述周期長度P可以不變或遞增或遞減或隨機(jī)變化；
[0012]本發(fā)明在工作過程中，在介質(zhì)基底2的上面金屬層I上刻一條窄槽形成慢波結(jié)構(gòu)，槽線中電磁場(chǎng)主要集中在槽口附近的介質(zhì)基底2，帶狀電子注在金屬層I上方通過，與在慢波結(jié)構(gòu)中傳播的電磁波產(chǎn)生相互作用，將能量交給電磁波，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大;而微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線。本發(fā)明中，所述結(jié)構(gòu)的金屬層I相對(duì)于介質(zhì)基底2上表面具有一定厚度，故形成了具有避免電子直接打到介質(zhì)基底2上的平面槽線慢波結(jié)構(gòu)。
[0013]通過利用電磁仿真軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)，與相同尺寸的常規(guī)微帶慢波結(jié)構(gòu)相比具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0014](I)本發(fā)明提出的平面槽線慢波結(jié)構(gòu)在金屬層的保護(hù)下，電子幾乎只會(huì)落到平面槽線慢波結(jié)構(gòu)的金屬層上，有效避免電子累積的問題；
[0015](2)本發(fā)明提出的平面槽線慢波結(jié)構(gòu)具有更低的歸一化相速度，更平坦的色散曲線，從而使得采用該結(jié)構(gòu)的真空器件具有更低的工作電壓，且電子注在更寬的頻帶內(nèi)能夠與電磁波實(shí)現(xiàn)同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真空器件的寬頻化設(shè)計(jì)；
[0016](3)本發(fā)明提出的平面槽線慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗曲線十分平坦，說明各個(gè)頻點(diǎn)的電磁波與電子注的的互作用強(qiáng)度基本相同，從而使得采用該慢波結(jié)構(gòu)的真空器件在工作頻帶內(nèi)的增益波動(dòng)與微帶慢波結(jié)構(gòu)相比更小。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明平面槽線慢波結(jié)構(gòu)一種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是單周期平面槽線慢波結(jié)構(gòu)的尺寸示意圖。
[0019]圖3是平面槽線慢波結(jié)構(gòu)和微帶慢波結(jié)構(gòu)對(duì)比示意圖。
[0020]圖4是本發(fā)明提供的平面槽線慢波結(jié)構(gòu)避免電子直接打上介質(zhì)基底造成電子累積問題的示意圖。
[0021]圖5是本發(fā)明提供的槽線慢波結(jié)構(gòu)與同尺寸的N形微帶慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線對(duì)比圖
[0022]圖6是本發(fā)明提供的槽線慢波結(jié)構(gòu)與同尺寸的N形微帶慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗曲線對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述。
[0024]實(shí)施例:
[0025]一種共面波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，如圖1所示N形槽線慢波結(jié)構(gòu)，該圖是本發(fā)明的一種具體的實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖，包括介質(zhì)基底2和位于介質(zhì)基底2表面的金屬層I，所述金屬層I上刻一條槽線，所述槽線的形狀為周期性彎折曲線。
[0026]如圖2所示，定義上述槽線慢波結(jié)構(gòu)的尺寸如下:介質(zhì)基底2的介電常數(shù)為ε，介質(zhì)基底厚度為h，橫向長度為a，周期長度為P，槽線寬度為w，微帶厚度為t，槽線直線部分長度為b。具體實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)的尺寸如下(單位:mm):a=1.4，b = 0.5，p = 0.28，w = 0.05，t =
0.05 ,h = 0.4o
[0027]如圖3所示，本發(fā)明中，在介質(zhì)基底2的上面金屬層I上刻一條窄槽，槽線中電磁場(chǎng)主要集中在槽口附近的介質(zhì)基底2中；而微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線。金屬層I相對(duì)于介質(zhì)基底2上表面具有一定厚度，故形成了具有避免電子直接打到介質(zhì)基底2上的平面槽線慢波結(jié)構(gòu)。
[0028]如圖4所示是通過鍍金屬層I從而避免了電子在介質(zhì)基底2上的累積。由于電子在落到慢波結(jié)構(gòu)的過程中既有橫向速度，也有縱向速度，其橫縱速度比一般小于1:15，而金屬層I上只有一條連續(xù)的周期性變化的窄槽，因此金屬層I滿足了一定厚度的情況下，電子在落到介質(zhì)基底2之前就已經(jīng)打在金屬層I上，從而避免了電子在介質(zhì)基底2上的累積。與其他平面微帶慢波結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明提供的平面槽線慢波結(jié)構(gòu)為平面行波管的實(shí)用化提供可行的方案。
[0029]利用三維電磁仿真軟件對(duì)本發(fā)明提供的N形彎曲槽線慢波線進(jìn)行仿真優(yōu)化計(jì)算，得到了這一具體實(shí)施方案的高頻特性參數(shù)，并且與相同尺寸的N形微帶慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。
[0030]圖5是N形槽線慢波結(jié)構(gòu)與N形微帶慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線對(duì)比圖，可以看出，槽線慢波結(jié)構(gòu)在工作帶寬內(nèi)(Ka波段)具有更低的歸一化相速度，從而使得采用該結(jié)構(gòu)的真空器件具有更低的工作電壓，同時(shí)其色散曲線較為平坦，從而使得電子注在更寬的頻帶內(nèi)能夠與電磁波實(shí)現(xiàn)同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真空器件的寬頻化設(shè)計(jì)。
[0031]圖6是N形槽線慢波結(jié)構(gòu)與N形微帶慢波結(jié)構(gòu)的耦合曲線對(duì)比圖，可以看出，槽線慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗低于微帶慢波結(jié)構(gòu)，但是其在工作頻帶內(nèi)(Ka波段)的耦合阻抗曲線十分平坦，說明各個(gè)頻點(diǎn)的電磁波與電子注的的互作用強(qiáng)度基本相同，從而使得采用該慢波結(jié)構(gòu)的真空器件在工作頻帶內(nèi)的增益波動(dòng)與微帶慢波結(jié)構(gòu)相比更小。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種平面槽線的慢波結(jié)構(gòu)，包括介質(zhì)基底(2)和位于介質(zhì)基底(2)表面的金屬層(I)，所述金屬層(I)上刻一條槽線，其特征在于，所述槽線的形狀為周期性彎折曲線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述平面槽線的慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述槽線的形狀為N形、V形或正弦曲線形周期性彎折曲線。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述平面槽線的慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，定義所述槽線的一個(gè)單元周期長度為P，所述周期長度P不變。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述平面槽線的慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，定義所述槽線的一個(gè)單元周期長度為P，所述周期長度P遞增。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述平面槽線的慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，定義所述槽線的一個(gè)單元周期長度為P，所述周期長度P遞減。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述平面槽線的慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，定義所述槽線的一個(gè)單元周期長度為P，所述周期長度P隨機(jī)變化。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種平面槽線的慢波結(jié)構(gòu)，屬于微波電真空技術(shù)領(lǐng)域，涉及行波管放大器件。本發(fā)明包括介質(zhì)基底(2)和位于介質(zhì)基底(2)表面的金屬層(1)，所述金屬層(1)上刻一條槽線，所述槽線的形狀為周期性彎折曲線。本發(fā)明能夠避免由于擾動(dòng)而不受約束的電子直接打到介質(zhì)基底上，從而有效解決微帶慢波結(jié)構(gòu)的電子累積的問題；采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的真空器件具有更低的工作電壓同時(shí)其色散曲線較為平坦，從而使得電子注在更寬的頻帶內(nèi)能夠與電磁波實(shí)現(xiàn)同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真空器件的寬頻化設(shè)計(jì)；采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的真空器件耦合阻抗曲線十分平坦，說明其在工作頻帶內(nèi)的增益波動(dòng)相對(duì)于微帶慢波結(jié)構(gòu)相比更小。因此本發(fā)明在小型化平面行波管的慢波結(jié)構(gòu)具有較大潛力和市場(chǎng)價(jià)值。
【IPC分類】H01J23/28
【公開號(hào)】CN105513928
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610003262
【發(fā)明人】丁沖, 魏彥玉, 王媛媛, 張魯奇, 李倩, 郭彍, 宮玉彬, 王文祥
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2016年1月4日