本發(fā)明涉及一種電磁波傳輸線(xiàn)。具體地說(shuō)，是涉及一種用于信號(hào)延遲或電磁波源的慢波結(jié)構(gòu)的緊湊型分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)。

背景技術(shù)：

折疊傳輸線(xiàn)的第一個(gè)重要應(yīng)用是作為信號(hào)延遲線(xiàn)， 在雷達(dá)等系統(tǒng)中用于信號(hào)延遲。折疊傳輸線(xiàn)的第二個(gè)重要應(yīng)用是在行波管放大器中作為慢波結(jié)構(gòu)使用。這時(shí)，電子束沿一定直線(xiàn)電子通道傳播，而電磁波則沿著彎折的傳輸線(xiàn)傳播。 雖然在折疊傳輸線(xiàn)內(nèi)傳播的電磁波的相速很快， 可以接近于光速， 甚至大于光速， 但在該直線(xiàn)電子通道中， 電子束感受到的電磁波的相速可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光速。采用折疊波導(dǎo)構(gòu)成的行波管的電子束能量可以大大降低，有利于器件的小型化。

傳統(tǒng)的折疊傳輸線(xiàn)一般采用傳輸線(xiàn)連續(xù)彎曲而成。 比如波導(dǎo)延遲線(xiàn)和折疊波導(dǎo)行波管中的折疊波導(dǎo)將波導(dǎo)彎曲疊放。由于過(guò)小的彎曲曲率半徑將導(dǎo)致信號(hào)的反射，這種延遲線(xiàn)的體積通常都比較大。折疊波導(dǎo)行波管放大器中的普通的慢波結(jié)構(gòu)采用矩形波導(dǎo)段與U形波導(dǎo)端分別交替連接構(gòu)成， 同樣有體積大的問(wèn)題。普通的折疊波導(dǎo)行波管存在的另一個(gè)問(wèn)題是帶寬問(wèn)題。這種行波管中采用的折疊波導(dǎo)一般為二維結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)在一個(gè)過(guò)Z軸的平面，比如XZ平面內(nèi)連續(xù)彎曲。在這種折疊波導(dǎo)中， 沿Z軸傳播的電子在通過(guò)一個(gè)周期的折疊波導(dǎo)時(shí)，有兩個(gè)與電磁波相互作用的區(qū)域。 在這兩個(gè)互作用區(qū)域中，傳輸?shù)碾娮邮惺艿降碾姶挪ǖ南辔徊畛姶挪ㄑ卦撜郫B波導(dǎo)的彎折途徑傳輸所決定的相位差外，還包括由于傳輸線(xiàn)的180度彎折波導(dǎo)致的電磁場(chǎng)方向反向所決定的180度的所謂“形狀相位差”。這個(gè)形狀相位差的存在，使得沿Z軸方向傳播的電子束與沿折疊波導(dǎo)傳播的電磁波在沿Z方向的速度同步條件下，在同一周期中的兩個(gè)互作用區(qū)域中，電子束所受到的沿Z軸方向的作用力會(huì)切換方向，導(dǎo)致電磁波從電子束獲得的能量相互抵消。為了解決這個(gè)問(wèn)題，電子束沿Z方向的速度與電磁波沿Z方向的平均相速必須失配。由此帶來(lái)了對(duì)折疊波導(dǎo)行波管的相對(duì)帶寬的嚴(yán)重限制。普通的折疊波導(dǎo)行波管存在的另一個(gè)問(wèn)題是由于單電子書(shū)造成的束波互作用的效率問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外有采取2至3根電子束的方案，但與位于結(jié)構(gòu)中心軸上的主電子束相比，其它電子束所經(jīng)歷的電磁波的相位會(huì)有一定程度的失配， 導(dǎo)致器件總體性能的下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種沒(méi)有形狀相位差的分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)。 在用于波導(dǎo)行波管的慢波慢波結(jié)構(gòu)時(shí)， 在本發(fā)明上可以方便地設(shè)置多根電子束通道。這種方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、工作頻率寬, 結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，我們的方案為，分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo),包括沿Z軸方向依次連通并重復(fù)的至少2個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)和輸入輸出波導(dǎo)。所述最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)指在Z方向長(zhǎng)度最短的波導(dǎo)周期。由于最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的任意整數(shù)倍都可以作為該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的一個(gè)周期，這里對(duì)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)做出了定義。

存在一與Z軸平行的直線(xiàn)AB， 所述直線(xiàn)AB與所述任意一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的交集為一條連續(xù)的線(xiàn)段CD。這樣，任意與Z軸平行的直線(xiàn)與任意一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)只有一條連續(xù)的交匯線(xiàn)段。這是本發(fā)明與傳統(tǒng)的折疊波導(dǎo)行波管中的分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的顯著區(qū)別之一。在傳統(tǒng)的折疊波導(dǎo)行波管中，任意與Z軸平行的直線(xiàn)與任意一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)有兩條連續(xù)的交匯線(xiàn)段。

該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)作為慢波結(jié)構(gòu)使用時(shí)，需要設(shè)置至少一根直線(xiàn)電子通道。該直線(xiàn)電子束通道與Z軸平行。所述直線(xiàn)電子束通道與所述直線(xiàn)AB重合。作為最佳設(shè)計(jì)，所述線(xiàn)段CD通過(guò)所述最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)中電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度的最大幅值點(diǎn)。也就是說(shuō)，直線(xiàn)電子通道通過(guò)該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)中電場(chǎng)強(qiáng)度最大的位置。

不失一般性， 我們定義所述任意最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面的位置如下：任意最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面都與YZ平面平行。 所述最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面的形狀為矩形；所述任一最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面的寬邊都與Y軸方向平行。

或者，所述最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面為單脊矩形波導(dǎo)； 所述任一最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面中的任意端面的寬邊與Y軸方向平行，所述單脊矩形波導(dǎo)的脊位于該波導(dǎo)的一個(gè)寬邊上。

或者，最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面為雙脊矩形波導(dǎo)；所述任一最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面中的任意端面的寬邊與Y軸方向平行，所述雙脊矩形波導(dǎo)的雙脊分別位于該波導(dǎo)的兩個(gè)寬邊上。

當(dāng)電磁波的頻率接近所述折疊波導(dǎo)的工作模式的截止頻率時(shí)，所述直線(xiàn)AB與所述任意兩個(gè)沿Z方向相鄰的最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的交集處的電磁波的相位差趨于零。

所述分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)由不連續(xù)的波導(dǎo)段構(gòu)成。每一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)至少包括4個(gè)直角彎波導(dǎo)和4個(gè)波導(dǎo)段。所述直角彎波導(dǎo)的側(cè)面為直角三角形形狀。其中兩個(gè)直角邊分別位于該直角彎波導(dǎo)的輸入端口和輸出端口上。

每一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)包括至少4個(gè)直角彎波導(dǎo)和至少4個(gè)波導(dǎo)段；直角彎波導(dǎo)的側(cè)面為一個(gè)直角三角板形狀；在所述直角三角板形狀的斜邊設(shè)置有臺(tái)階形凸起結(jié)構(gòu)；直角彎波導(dǎo)的直角都指向O點(diǎn)方向，且直角彎波導(dǎo)沿繞Z軸的螺旋線(xiàn)順次旋轉(zhuǎn)設(shè)置；且一個(gè)波導(dǎo)段位于相鄰任意2個(gè)直角彎波導(dǎo)之間；每一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)所述直角彎波導(dǎo)或一個(gè)波導(dǎo)段的兩個(gè)端口在Z軸方向錯(cuò)開(kāi)。所有直角彎波導(dǎo)面向YZ平面的一面均互相平行并垂直與Z軸，同一最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)中的相隔2個(gè)波導(dǎo)段，一個(gè)波導(dǎo)段相-Z方向傾斜設(shè)置，另一個(gè)波導(dǎo)段向Z方向傾斜設(shè)置。

為了改善該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)在寬頻段內(nèi)的匹配，構(gòu)成所述每一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的所述4個(gè)直角彎波導(dǎo)和4個(gè)波導(dǎo)段中至少一個(gè)的橫截面的至少一個(gè)形狀參數(shù)隨該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的中心線(xiàn)的相對(duì)變化大于10%。否則，由所述最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)沿Z方向重復(fù)連接構(gòu)成的分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)在某些頻率點(diǎn)可能因反射的疊加導(dǎo)致電磁波無(wú)法順利傳播。這里的所述分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的中心線(xiàn)通過(guò)電磁波信號(hào)在該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度幅值點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)所述分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)，至少所述兩個(gè)周期的直角彎波導(dǎo)和波導(dǎo)段可以分為兩組， 每組分別位于該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的X軸方向和-X軸方向。屬于同一組的所有所述直角彎波導(dǎo)和波導(dǎo)段的開(kāi)口方向朝向所述分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的軸線(xiàn)方向的表面都齊平。 這樣，屬于同一組的所有所述直角彎波導(dǎo)和波導(dǎo)段可以通過(guò)普通數(shù)控銑床作為一體完成加工。

為了讓所有的直角彎波導(dǎo)和波導(dǎo)段互相連接并沿Z方向排列，構(gòu)成所述每一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)所述直角彎波導(dǎo)和/或波導(dǎo)段的兩個(gè)端口沿Z方向錯(cuò)開(kāi)。。

本發(fā)明提出了采用矩形波導(dǎo)、單脊波導(dǎo)、雙脊波導(dǎo)或其它形狀的波導(dǎo)的各種周期性分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)。在已有的傳統(tǒng)的折疊波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，很好地解決了形狀相位差帶來(lái)的電子束與電磁波之間的寬頻帶同步問(wèn)題。該發(fā)明也可以用作緊湊的信號(hào)延遲線(xiàn)。采用該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)作為行波管的互作用波導(dǎo)，可望大大降低高頻微波、毫米波，甚至太赫茲器件所需的電子束能量并展寬其工作帶寬。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1的一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施實(shí)例1的一組直角彎波導(dǎo)示意圖；

附圖中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)名稱(chēng)：1-輸入輸出波導(dǎo)，2-波導(dǎo)段，4-直角彎波導(dǎo)， 7-直線(xiàn)電子束通道。

實(shí)施實(shí)例1

如圖1-3所示。

分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)，包括沿Z軸方向依次連通并重復(fù)的4個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)和輸入輸出波導(dǎo)1，每一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)包括至少4個(gè)直角彎波導(dǎo)4和至少4個(gè)波導(dǎo)段2；直角彎波導(dǎo)的側(cè)面為一個(gè)直角三角板形狀；在所述直角三角板形狀的斜邊設(shè)置有臺(tái)階形凸起結(jié)構(gòu)；直角彎波導(dǎo)4的直角都指向O點(diǎn)方向，且直角彎波導(dǎo)4沿繞Z軸的螺旋線(xiàn)順次旋轉(zhuǎn)設(shè)置；且一個(gè)波導(dǎo)段位于相鄰任意2個(gè)直角彎波導(dǎo)4之間；每一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)所述直角彎波導(dǎo)4或一個(gè)波導(dǎo)段2的兩個(gè)端口在Z軸方向錯(cuò)開(kāi)。優(yōu)選的，所有直角彎波導(dǎo)面向YZ平面的一面均互相平行并垂直與Z軸，同一最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)中的相隔2個(gè)波導(dǎo)段，一個(gè)波導(dǎo)段相-Z方向傾斜設(shè)置，另一個(gè)波導(dǎo)段向Z方向傾斜設(shè)置。具體的，如圖2所示，這個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)中存在4個(gè)直角彎波導(dǎo)4和4個(gè)波導(dǎo)段2，其中4個(gè)直角彎波導(dǎo)4分別位于XY平面的四個(gè)象限區(qū)域內(nèi)，2個(gè)波導(dǎo)段設(shè)置在X軸方向上，另外2個(gè)波導(dǎo)段設(shè)置在Y軸方向上，X軸方向上的2個(gè)波導(dǎo)段分別向Z方向和-Z方向傾斜，Y軸方向上的2個(gè)波導(dǎo)段的軸線(xiàn)均與Y軸平行不傾斜設(shè)置，由于有2個(gè)波導(dǎo)段傾斜設(shè)置，會(huì)到三象限和四象限區(qū)域內(nèi)的2個(gè)直角彎波導(dǎo)4錯(cuò)位設(shè)置，即不位于同一平面內(nèi)，這個(gè)造成最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)成螺旋變化效果。

存在一與Z軸平行的直線(xiàn)AB， 所述直線(xiàn)AB與所述任意一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的交集為一條連續(xù)的線(xiàn)段CD。

設(shè)置有8根直線(xiàn)電子通道7。該直線(xiàn)電子束通道7與Z軸平行。所述線(xiàn)段CD通過(guò)所述最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)中電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度的最大幅值點(diǎn)。

最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面都與YZ平面平行。 所述最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面的形狀為矩形；所述任一最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的兩端面的寬邊都與Y軸方向平行。

當(dāng)電磁波的頻率接近所述折疊波導(dǎo)的工作模式的截止頻率時(shí)，所述直線(xiàn)AB與所述任意兩個(gè)沿Z方向相鄰的最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)的交集處的電磁波的相位差趨于零。

所述分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)由不連續(xù)的波導(dǎo)段構(gòu)成。每一個(gè)最短波導(dǎo)周期結(jié)構(gòu)包括4個(gè)直角彎波導(dǎo)4和4個(gè)波導(dǎo)段2。

所述2個(gè)直角彎波導(dǎo)4的橫截面深度隨該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的中心線(xiàn)的相對(duì)變化大于10%。

4個(gè)周期的8個(gè)直角彎波導(dǎo)4和4個(gè)波導(dǎo)段2被分為兩組， 每組分別位于該分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的X軸方向和-X軸方向；屬于同一組的所有所述直角彎波導(dǎo)4和波導(dǎo)段2的朝向所述分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的軸線(xiàn)方向的表面都齊平。這樣，屬于同一組的所有所述直角彎波導(dǎo)4和波導(dǎo)段2可以通過(guò)普通數(shù)控銑床作為一體完成加工。

所述8個(gè)波導(dǎo)段2的兩個(gè)端口沿Z方向錯(cuò)開(kāi)。

以上我們給出了分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施實(shí)例。在這個(gè)實(shí)例中，為了繪制示意圖的方便，分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的周期數(shù)為4個(gè)。實(shí)際上，在電磁波源，特別是在行波管中，分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的周期數(shù)可以多達(dá)幾十個(gè)。同時(shí)，在以上的實(shí)施實(shí)例中，為了加工這些分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)，需要采取線(xiàn)切割、數(shù)控車(chē)銑等加工方法，許多內(nèi)角需要倒角處理。這些倒角會(huì)對(duì)分段螺旋線(xiàn)折疊波導(dǎo)的性能產(chǎn)生影響，在建模計(jì)算時(shí)必須加以考慮。