一种用于行波管的慢波线制造技术

本发明专利技术涉及一种用于行波管的慢波线。它由多组光子晶体单元沿行波管的电子束通道轴向排列，所述光子晶体单元的内部为中空结构，多组光子晶体单元的中空结构组成行波管的电子束通道，所述光子晶体单元的前景材料沿径向呈二维周期性排列，所述背景材料填充满前景材料的间隙，光子晶体单元之间通过在轴向上呈周期性排列的金属隔板固定连接在一起并被其隔离，所述光子晶体单元的前景材料使用合金永磁材料，背景材料采用铁氧体永磁材料，金属隔板采用软磁材料。本发明专利技术的有益效果是：在一个结构中同时实现了聚束电子束，提供慢电磁波和滤除高次模式电磁波的三个功能。

【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。
技术介绍
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。 行波管的聚束系统可以是螺线管、均匀磁场或周期永磁聚束系统。其中，周期永磁 聚束系统是由永磁材料和软磁材料构成，永磁材料如钐钴(SmCo)等呈一维周期性排列，在 永磁材料之间填充如纯铁等软磁材料。周期永磁聚束系统重量轻，成本低，不需要额外的能 源装置，因此是行波管的首选聚束系统。但是，周期永磁聚束系统所能提供的磁场是十分有 限的，并且，离周期永磁聚束系统的永磁体的表面越远，磁场越小。行波管中，聚束系统是放 在金属屏蔽外壳外面的，当慢波线的横截面尺寸较大时，聚束系统离电子束运动的中心位 置就会更远，电子束所在区域的磁场就会较弱。 传统行波管通常利用基模工作的。在金属屏蔽外壳封闭的慢波线所在的空间中， 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、慢波 线和金属边界条件共同决定的。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。 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。 对于慢波线而言，只有特定频段内的电磁波才能在其中传输，这个特定频段被称 为慢波线的通带。处于慢波线通带上下边缘的电磁波容易被放大，对基模电磁波的工作形 成干扰，引起行波管工作不稳定，这种现象被称为带边振荡。带边振荡在使用耦合腔、折叠3波导等具有形如开放式腔的慢波线的行波管中最为严重。 由于电子束产生的噪声等原因，在行波管中，尽管振幅有可能很微弱，高次模式电 磁波总是存在的。如果高次模式电磁波的相位速度与电子束的速度基本相等，这个高次模 式电磁波就会被放大，从而干扰基模电磁波的工作，使行波管工作不稳定。在使用螺旋线为 慢波线的行波管中，这种情况表现为输出功率在某个频率上十分低，常被称为"功率洞"现象。 出现"功率洞"或者带边振荡时，与基模电磁波相竞争的电磁波都是高次模式电磁 波，高次模式电磁波的频率与基模是不相同的。因此，如果将金属屏蔽外壳用一个具有滤波 功能的结构代替，使高次模式电磁波可以通过这个结构传输到外界，从而被滤波器滤掉，而 基模电磁波则不受影响，就可以解决"功率洞"和带边振荡问题。由于金属屏蔽外壳的作用 是提供真空环境，因此要求这个滤波结构应能够提供真空环境。 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3、图4、图5 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ll，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
本专利技术的目的是为了使行波管可以实现聚束电子束的同时能够对高次模式电磁波进行过滤的功能，提供了一种用于行波管的慢波线。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慢波线，由多组光子晶体单元沿行波管的电子束通道轴向排列，所述光子晶体单元的内部为中空结构，多组光子晶体单元的中空结构组成行波管的电子束通道，所述光子晶体单元的前景材料沿径向呈二维周期性排列，所述背景材料填充满前景材料的间隙，光子晶体单元之间通过在轴向上呈周期性排列的金属隔板固定连接在一起并被其隔离，所述光子晶体单元的前景材料使用合金永磁材料，背景材料采用铁氧体永磁材料，金属隔板采用软磁材料。为了实现上述目的，本专利技术的还提供了另一方案一种用于行波管的慢波线，由多组光子晶体单元沿行波管的电子束通道轴向排列，所述光子晶体单元对称分为上下两列，两列光子晶体单元之间的间隙组成行波管的电子束通道，所述光子晶体单元的前景材料沿径向呈二维周期性排列，所述背景材料填充满前景材料的间隙，光子晶体单元之间通过金属隔板固定连接在一起并被其隔离，所述光子晶体单元的前景材料使用合金永磁材料，背景材料采用铁氧体永磁材料，金属隔板采用软磁材料。 本专利技术的有益效果是在一个结构中同时实现了聚束电子束，提供慢电磁波和滤 除高次模式电磁波的三个功能。其原理是首先，周期性的软磁材料与永磁材料的混和结 构实际上就是一种变化了周期的永磁结构，能够提供与常规的周期永磁聚束系统相当的磁 场，而且电子束通道紧邻该结构内表面，二者的距离很近，因此该结构提供磁场的能力与以 前的周期永磁聚束系统是相同的。其次，当电磁波在该结构的内部传播时，由于该结构是一种周期性结构，电磁波的相位速度可以小于光速而与电子束速度基本相等，因此该结构 不需要额外的电路结构提供电磁慢波。最后，这样的一个周期性阵列又是一种特殊的光子 晶体，具有光子带隙和滤波功能，只要将各个结构参数取得合理，就可以滤除高次模式电磁 波；并且，当高次模式电磁波进入其中传输时，会受到该结构的强烈的磁损耗，进一步达到 了消除高次模式电磁波的目的，而基模电磁波处在光子带隙之内，进入该结构之后，很快就 被该结构所全反射，其受到的磁损耗是有限的。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是现有技术的光子晶体的一维结构示意图。 图3是现有技术的光子晶体的二维结构示意图。 图4是现有技术的光子晶体的三维结构示意图。 图5是本专利技术实施例一的立体结构示意图。 图6是本专利技术实施例一沿轴向的剖视图。 图7是本专利技术实施例一沿径向的剖视图。 图8是本专利技术实施例一所应用的行波管的结构原理示意图。 图9是本专利技术实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于行波管的慢波线，由多组光子晶体单元沿行波管的电子束通道轴向排列，其特征在于，所述光子晶体单元的内部为中空结构，多组光子晶体单元的中空结构组成行波管的电子束通道，所述光子晶体单元的前景材料沿径向呈二维周期性排列，所述背景材料填充满前景材料的间隙，光子晶体单元之间通过在轴向上呈周期性排列的金属隔板固定连接在一起并被其隔离，所述光子晶体单元的前景材料使用合金永磁材料，背景材料采用铁氧体永磁材料，金属隔板采用软磁材料。

【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]