[发明专利]一种脊加载曲折矩形槽波导慢波线

说明书

技术领域

本发明属于微波真空电子器件技术领域，具体涉及行波管的注-波互作用器件——慢波线。

背景技术

行波管是真空电子器件在微波频段应用中最为重要的一类器件，其比例占到整个电真空器件的一半左右。慢波结构作为行波管进行注—波互作用激励微波能量的核心部件，其性能优劣直接决定行波管的技术水平。目前应用的螺旋线及其变形(如环杆、环圈结构等)和耦合腔在各自的发展中都遇到了严重的障碍。螺旋线具有弱色散特性，带宽可以达到几个倍频程，但其热容量小，散热能力低而无法提供更大的输出功率；耦合腔是一种全金属慢波结构，其散热能力很强，输出功率电平可比螺旋线高一个量级，但带宽窄。随着工作频率的提高，二者固有的缺陷增大了其进一步发展的难度，特别是螺旋线已达到其热容量的极限。因此，寻求同时具有宽频带、高效率、大功率的新型的慢波结构成为行波管技术向更高频段推进的最迫切需要解决的关键问题。

毫米波行波管的特点是尺寸小、加工困难，电磁波传输损耗大，互作用效率低，电子注形成困难等。随着频率的进一步升高，器件尺寸的进一步降低，上述物理问题更加严重限制了行波管在短毫米波及以上波段的有效工作。

曲折矩形波导慢波电路是将矩形波导沿波导E面周期性弯曲成直角型曲折线或U型曲折线所形成的一种全金属慢波系统，它具有结构简单易加工、散热能力好、输入输出易匹配、色散特性平坦、宽带大功率等特性，已经广泛应用于毫米波行波管中。但是，随着行波管向更高的频率发展，金属壁的欧姆损耗将越来越大，由于壁的损耗不仅会消耗一部分能量，降低整管效率，增加散热的压力，还会带来额外的噪声。当频率达到亚毫米波以上时，这些问题将变得越来越突出，以致极大地制约着曲折矩形波导行波管的性能。

矩形槽波导，可以看成是由矩形波导沿宽边(E面)中心对称面剖开，各取其一半作为槽波导上、下金属板上的槽的形状在分别在上、下金属板上开槽，并使上、下金属板间隔一定距离而形成。槽波导是一种新型的毫米波亚毫米波传输线，比之矩形波导，它的结构尺寸大，单模工作的频带宽，最重要的是，槽波导是一种半开放结构，特别容易加工；它的壁损耗比矩形波导低得多，损耗系数还会随着频率的升高而降低。将这种慢波线沿槽的方向来回折弯(其方式同样可以是直角折弯和圆弧折弯)形成的曲折槽波导作为行波管慢波线，不仅有自然形成的电子注通道，而且允许带状电子注通过，如图1所示。在带状电子注厚度与通常在曲折矩形波导中运用的圆柱形电子注直径相同的情况下，前者由于宽度的增加，使得电流可以大得多，能够增加输出功率。故曲折槽波导很有潜力成为一种适合于毫米波、亚毫米行波管的新型慢波结构。中国专利：曲折槽波导慢波线(申请号：200920082778.6)对它的优越性做了更全面的描述。

将矩形槽波导顺槽的纵向进行周期性来回折弯，就形成曲折矩形槽波导慢波线，如图1所示，它同样具有槽波导的上述优点；同时由于曲折矩形槽波导慢波线的注-波互作用通道被加工成曲折形状，使得同样性能要求下慢波线整体体积大大缩小。

即便是曲折矩形槽波导慢波线相比普通矩形波导慢波线、曲折矩形波导慢波线、甚至是矩形槽波导慢波线均具有优势，但在信号频率进一步提高，尤其是进入亚毫米波、甚至是太赫兹波段后，曲折矩形槽波导慢波线仍然面临器件尺寸、加工精度等方面的极限挑战。同时，由于曲折槽波导慢波系统的基波同曲折波导一样属于返向波，若曲折槽波导用于行波管则需要工作在负一次空间谐波上，因此耦合阻抗相对较低。耦合阻抗作为表征慢波系统和电子注相互作用强弱的参量，与行波管的增益与效率直接相关。因此，在现有曲折矩形槽波导慢波线器件尺寸条件下，如何进一步提高行波管的工作带宽，如何进一步提高行波管的增益和效率，成为有待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种脊加载曲折矩形槽波导慢波线，在相同的尺寸条件下相比现有的曲折槽波导慢波线具有更宽的工作带宽、更高的耦合阻抗，从而更有利于行波管带宽的增加、增益和效率的提高。

本发明技术方案如下：