一種框—桿慢波結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明專利屬于微波真空電子技術領域，涉及一種行波管放大器件，尤其涉及一種框一桿慢波電路結構。
[0002]
【背景技術】
[0003]隨著未來電子戰和空間技術的飛速發展，毫米波的應用越來越得到重視，而行波管是最重要的毫米波功率源，盡管固體器件發展迅速，在毫米波領域也已取得令人矚目的進展，但在今后可預見的相當長時期內，行波管仍具有不可替代的地位，是毫米波軍事電子裝備的最重要的器件。
[0004]慢波線是行波管的核心部件，它是行波管中電子注激勵微波能量的機構，因此其高頻特性直接決定著行波管的性能。但慢波結構與工作頻率具有“共度性”，這就使得毫米波段行波管的慢波線尺寸很小，以致利用傳統的機械加工工藝已經難以滿足其微小尺寸的精度要求，迫使人們必須不斷探索新型慢波結構和新型加工技術來滿足毫米波段特別是短毫米波段行波管的需求。
[0005]矩形螺旋線是新型毫米波行波管慢波結構的一種，如圖1所示。矩形螺旋線是由圓橫截面的螺旋線慢波結構演變而來的。包括矩形筒形波導體(1)、矩形筒形絕緣介質基底
(2)、矩形橫截面金屬慢波電路(3)和中心真空互作用區(4);其中矩形筒形絕緣介質基底
(2)設于矩形筒形波導體(1)內；矩形橫截面螺旋線金屬慢波電路(3)設于矩形筒形絕緣介質基底(2)和中心真空互作用區(4)之間；矩形螺旋線金屬慢波電路(3)內部所圍的中心真空互作用區(4);矩形螺旋線金屬慢波電路(3)由一根金屬帶沿螺旋方向繞著矩形截面繞行而成的周期螺旋線慢波結構。
[0006]在常規行波管中，圓形螺旋線是最常用的慢波線，雖然它具有工作頻帶寬的優點，但它的熱耗散能力差，尺寸隨著工作頻率的提高越來越小，這使得它的極限工作頻率被限制在V波段左右，而矩形螺旋線在一定程度上可以彌補圓形螺旋線的這些不足。一方面，矩形螺旋線的加工可以用類似平面螺旋線的微機電(MEMS)工藝技術，即所謂的印制型的微帶線制造工藝，極大提高了尺寸的精度，使得短毫米波段甚至THz波段慢波線的制造成為可能；另一方面，矩形螺旋線整體都是沉積在介質基板上的，大大提高了其散熱能力。矩形螺旋線還可以與帶狀電子注相互作用，如圖2所示，可以增加電子注寬度來提高總電流大小，而不需增加電子注厚度，使空間電荷效應得以降低，而高頻場與電子注的互作用得到增強。散熱能力的提高和電流的允許增加導致行波管的輸出功率和效率得到提高。如果增大矩形螺旋線的寬高比，它就可以近似成平面結構，為制造平面行波管創造了條件。因此，結合帶狀電子注的矩形螺旋線行波管是一種很有前途的新型毫米波行波管。
[0007]矩形螺旋線是由圓形螺旋線和平面螺旋線演變而來的，因此它兼具兩者的優點，既有常規圓螺旋線所特有的寬頻帶、高增益及低工作電壓的優點，又有平面結構可以采用帶狀電子注與高頻場相互作用的特點，還可以采用現代微帶線加工技術直接刻蝕介質基板上的金屬膜層來實現，因此在緊湊型平面行波管方面有著廣闊的應用前景。
[0008]但是矩形螺旋線行波管的基波耦合阻抗相對較小，容易引起諧波振蕩，從而限制了其應用發展。
[0009]
【發明內容】
[0010]為了能夠應用微細加工技術實現慢波結構的制造，同時能夠在同等尺寸下提高矩形螺旋線慢波結構的耦合阻抗，本發明專利提出一種基于微機械加工制作技術的框一桿慢波結構，能夠進一步滿足毫米波裝備系統在輸出功率和效率、重量和小型化方面的需求。
[0011]本發明專利所采用的關鍵技術方案是:
一種框一桿慢波結構，如圖3所示，包括矩形筒形波導體(1 )、矩形筒形絕緣介質基底
(2)、框一桿金屬慢波電路(3)和中心真空互作用區(4);所述矩形筒形波導體(1)、矩形筒形絕緣介質基底(2)、框一桿金屬慢波電路(3)和中心真空互作用區(4)的中心軸線重合；所述的矩形筒形絕緣介質基底(2)設于矩形筒形波導體(1)內；所述框一桿金屬慢波電路
(3)設于矩形筒形絕緣介質基底(2)的內表面上；所述框一桿金屬慢波電路(3)由多個形狀和尺寸相同的金屬線框和金屬框之間的連接桿組成；所述連接桿依次交替位于金屬線框的頂邊和底邊的中心連線上，所述的金屬線框平面垂直于整個慢波結構的中心軸線。圖4為圖3所示的框一桿慢波結構的變形，圖4中除了金屬線框平面與整個慢波結構的中心軸線不垂直之外，其余結構與圖3所示的框一桿慢波結構完全相同。
[0012]如圖5和圖6所示，本發明提供的框一桿慢波結構的，定義上述框一桿慢波結構的尺寸如下:介質基底(2)的相對介電常數為其外筒矩形橫截面的寬度為c，高度為d，金屬線框的寬度為a和高度為b，金屬帶的厚度為h，金屬帶的寬度為w，縱向周期為p，連接桿長度為1，連接桿寬度和厚度分別為w和h。
[0013]上述框一桿慢波結構，包括以下各種形式的變形結構:1)金屬線框平面垂直于整個慢波結構的中心軸線；2)金屬線框平面不垂直于整個慢波結構的中心軸線；3)絕緣介質基底(2)換為真空互作用區，而中心真空互作用區(4)的材料換為為氮化硼或氧化鈹、金剛石，從而實現與空心帶狀注互作用，進行功率合成，做成多注帶狀注器件，可大大提高器件的輸出功率。
[0014]本發明提供的框一桿慢波結構，由于金屬慢波電路看起來是一系列金屬框，金屬框之間是用金屬桿依次交錯連接，此結構類似于變態螺旋線中的環一桿結構，因此本發明提供的慢波結構被定義為框一桿慢波結構。
[0015]本發明提供的框一桿慢波結構，同樣采用帶狀電子束5與波進行互作用(如圖2所示)。經三維電磁仿真軟件仿真驗證(以金屬線框平面垂直于整個慢波結構的中心軸線為例)，本發明提供的框一桿慢波結構與現有的矩形螺旋線慢波結構相比，在行波管工作區域內具有更高的基波耦合阻抗，可以有效避免諧波振蕩