[发明专利]一种用于行波管的慢波线

说明书

技术领域

本发明属于微波真空电子技术领域，具体来说，涉及行波管的慢波线。

背景技术

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。