一种用于行波管的耦合槽梯型慢波线制造技术

本发明专利技术涉及一种用于行波管的耦合槽梯型慢波线。它由多组矩形金属板沿行波管的电子束通道轴向呈周期性排列，所述矩形金属板垂直于轴向，所述矩形金属板的中央具有圆形孔，并且其窄边两端具有矩形耦合槽，所述矩形金属板被沿轴向延伸的金属屏蔽外壳包裹，金属屏蔽外壳的内部呈与矩形金属板大小匹配的矩形，其特征在于，所述矩形耦合槽内具有至少一条沿电子束通道轴向延伸的光子晶体条。本发明专利技术的有益效果是：克服了现有的耦合槽梯型慢波线存在带宽较窄和高次模式工作不稳定的缺点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波真空电子
，具体来说，涉及行波管的慢波线。技术背景 行波管是宽带大功率微波源器件，广泛用于雷达通讯和空间卫星通讯。行波管结 构原理示意图如图1和图2所示，该行波管主要包括电子枪1，慢波线2 (慢波电路)、聚束 系统3，收集极4、金属屏蔽外壳5、输入波导6和输出波导7。慢波线内部具有一个电子束 通道8，聚束系统3和金属屏蔽外壳5依次围绕在慢波线的外周，电子枪1和收集极4分别 位于慢波线的两端，输入波导6和输出波导7分别位于慢波线的两端与电子枪1和收集极 4的结合处。电子枪提供在电子束通道中运动的电子束，慢波线是电磁波传输线，当电磁波 在慢波线中传输时，其相位速度小于光速，此时的电磁波通常称为电磁慢波；常用的慢波线 包括螺旋线慢波线、耦合腔慢波线和折叠波导慢波线。聚束系统提供必要的磁场，以使电子 束的运动方向不发生改变。收集极是电子束的最终目的地。输入波导和输出波导用于输入 和输出电磁波。金属屏蔽外壳的作用是将电子束和电磁波运动的空间与其它空间隔离，以 提供高真空环境，避免电子束受到空气的影响而电离。行波管的工作原理是，当电子束的速度与慢波线中电磁波的相位速度(电磁波角 频率与电磁波在慢波线中传输单位长度时相位的改变量的比值)基本相等时，电子束的动 能就会转化为电磁波能量。电子束受到电磁波电场和磁场作用，其运动方向必然要发生变 化，为了使电子不至于打上慢波线和金属屏蔽外壳，需要一定的磁场约束电子收集极方向 运动，这个磁场就由聚束系统提供。作为慢波线的一种，现有的耦合槽梯型慢波线如图5、图6和图7所示，是在矩形的 金属屏蔽外壳5内周期性地排列矩形金属板13，在矩形金属板13中心打圆柱形孔作为电子 束通道8提供电子束必须的通道，在金属隔板13与金属屏蔽外壳5两条窄边相邻处打矩形 耦合槽14以便电磁波能够通过。正常工作时，适当选择矩形金属板13中心圆柱形孔的大 小，就可以使电子束能够通过，而电磁波不能通过，即电磁波只能通过矩形耦合槽14传输。现有的耦合槽梯型慢波线结构简单，容易加工，这是其优点之一。由于行波管的输 出功率越高，就有更大量的能量转化为热量消耗到慢波线上，如果慢波线散热能力差，就无 法承受高的输出功率；而耦合槽梯型线的矩形金属板与矩形金属波导的接触面积大，散热 能力很强，因此耦合槽梯型慢波线的功率容量大(即有能力承受高输出功率的工作状态)， 这是其优点之二。当电磁波在慢波线中传输单位长度时相位的改变量(相移)增大，频率 反而减小(负色散状态)时，行波管的工作电压低；而改变耦合槽梯型慢波线的耦合孔14 的尺寸，可以改变电磁波的相移随频率的变化趋势，因此耦合槽梯型慢波线具有工作电压 低的优点，这是其优点之三。尽管耦合槽梯型慢波线具有如上的优点，但是耦合槽梯型慢波线却存在带宽较窄 和高次模式工作不稳定的缺点。行波管的带宽是指行波管的工作指标符合规定要求时，电磁波频率能够变化的最大范围。当电磁波在慢波线中传输时，其相位速度是要随频率的变化而变化的(色散)。而行波管工作时要求电子束速度与电磁波相位速度基本相等，一旦慢波线确定，相位速度与 电子束速度基本相等的电磁波频率范围也就确定了。可见，行波管的带宽是由其慢波线所 确定。对于耦合槽梯型慢波线，电磁波是通过电磁波耦合孔传输的，孔耦合的传输方式决定 了当电磁波的频率变化时，其相位速度变化较大，即色散很强，因此带宽就较窄。在同一时刻，电磁波的电场或磁场分量在慢波线横截面上的分布是由电磁波的频 率和慢波线本身共同决定的。可以根据这种分布的不同将电磁波区分为不同的模式，场分 布最简单的模式称为基模，其余模式统称为高次模式(过模)。一般情况下，模式不同，电磁 波频率也是不同的，基模的频率是最低的。由于基模的与电子束速度方向相一致的电场分 量较强，对电子束的作用也强，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，则可以在现有结构和尺寸的条件下，获得更高频率的电磁波，产生更高的输 出功率。高次模式工作时，由于电子束产生的噪声等原因，基模电磁波总是存在的。基模电 磁波能不能对高次模式的工作形成干扰，主要取决于基模电磁波的相位速度与用于工作的 高次模式电磁波的相位速度的差值。耦合槽梯型慢波线的结构特点决定了它的高次模式的 相位速度总是要等于某一频率的基模电磁波的相位速度，从而引起高次模式工作不稳定。光子晶体是近期在光学领域发展起来的一类全新的人工材料。如图2、图3、图4 所示，光子晶体由两种以上材料(两种或多种介质，或者一种介质和一种金属，或多种介质 与多种金属)在空间按一定方式交替出现和排列而成，通常情况下，由一种材料在空间上 呈周期性分布成为前景材料11，另一种材料则作为这种材料的背景出现成为背景材料12。 按前景材料11周期性排列的矢量方向，可以分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体的 特点是具有光子带隙，即光子晶体具有滤波作用，特定频段内的电磁波不能透过光子晶体 传播，这一特定频段被称为光子带隙。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的耦合槽梯型慢波线存在带宽较窄和高次模式工作 不稳定的缺点，提供了一种用于行波管的耦合槽梯型慢波线，本专利技术通过在现有的耦合槽 梯型慢波线的耦合孔中加入光子晶体条，取得了意想不到的技术效果，克服了现有技术的 缺陷。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是一种用于行波管的耦合槽梯型 慢波线，由多组矩形金属板沿行波管的电子束通道轴向呈周期性排列，所述矩形金属板垂 直于轴向，所述矩形金属板的中央具有圆形孔，并且其窄边两端具有矩形耦合槽，所述矩形 金属板被沿轴向延伸的金属屏蔽外壳包裹，金属屏蔽外壳的内部呈与矩形金属板大小匹配 的矩形，所述矩形耦合槽内具有至少一条沿电子束通道轴向延伸的光子晶体条。本专利技术的有益效果是首先，光子晶体条的引入会改变电磁波在耦合槽梯型慢波 线的耦合孔处的传输特性，从而增加带宽；其次，适当设计的光子晶体条会使基模电磁波的 传输变差，但不影响高次模式电磁波的传输，从而解决耦合槽梯型慢波线高次模式工作不 稳定的问题。现简单阐述其原理，由于光子晶体材料的特性，若耦合槽梯型慢波线的电磁波 耦合孔处部分填充有光子晶体，电磁波在光子晶体的外表面上会产生透射和折射，如果光子晶体中使用有介质材料，经过通过这种透射和折射之后，电磁波的相位速度随频率的改 变量会减小，即色散会减弱，从而会增加行波管的带宽。选择适当的光子晶体，并经过适当 设计，使光子晶体的光子带隙包含基模的频段，这时，由于基模无法进入光子晶体内部，对 基模有效的耦合孔尺寸变小为除去光子晶体部分的剩余的耦合孔空间，设计时，使这剩余 部分的尺寸小于基模最高频率截止时的对应矩形波导的尺寸，则基模就无法在耦合槽梯型 慢波线中传输。相反，高次模式电磁波不是处在光子晶体的光子带隙频段之内，它能进入光 子晶体内部，它所看到的是包含光子晶体在内的完整电磁波耦合孔，光子晶体的存在只是 使得它的相位速度有一定的变化，而无法影响它的传输状态。基模电磁波无法在慢波线中 传输，自然无法与电子束速度相等并影响高次模式的工作，因此耦合槽梯型慢波线的高次 模式工作不稳定的缺点得以解决。附图说明 图1是现有技术的行波管的结构原理示意图。图2是现有技术的光子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于行波管的耦合槽梯型慢波线，由多组矩形金属板沿行波管的电子束通道轴向呈周期性排列，所述矩形金属板垂直于轴向，所述矩形金属板的中央具有圆形孔，并且其窄边两端具有矩形耦合槽，所述矩形金属板被沿轴向延伸的金属屏蔽外壳包裹，金属屏蔽外壳的内部呈与矩形金属板大小匹配的矩形，其特征在于，所述矩形耦合槽内具有至少一条沿电子束通道轴向延伸的光子晶体条。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宫玉彬，殷海荣，魏彦玉，王文祥，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]