CN102789939A - 一种平板型真空电子器件能量输出结构 - Google Patents

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魏彦玉
段兆云
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一种平板型真空电子器件能量输出结构，属于真空电子技术领域。包括平板型慢波结构（1）、矩形斜波导（2）和矩形直波导（3）；所述平板型慢波结构（1）、矩形斜波导（2）和矩形直波导（3）三者的窄变尺寸和宽边尺寸一致，所述矩形直波导（3）与所述平板型慢波结构（1）平行，所述矩形斜波导（2）呈倾斜方式两端分别与所述矩形直波导（3）与所述平板型慢波结构（1）相连。该能量输出结构解决了大功率平板型真空电子器件的电子收集和能量输出的问题，实现了收集极和能量输出结构一体化，结构简单，易于加工，输出效率高。

Description

一种平板型真空电子器件能量输出结构
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，涉及行波管放大器件和返波振荡器件。
背景技术
随着科技的进步，对真空电子器件的需求趋向于更高的功率和频率，因此大功率、高频率的真空电子器件成为了国内外的研究热点。然而，要实现更高的功率就要求电子注能够传输更大的电流，要实现更高的频率就要求慢波结构随着频率的增加而变小（即尺寸共渡效应），而现有的永磁聚焦能力是有限的，随着电流的增大，常规圆柱形电子注截面随慢波结构的减少，其空间电荷场急剧增加，使得永磁磁场不足以聚焦圆柱形高频大电流电子注，所以，要实现更高的功率和更高的频率是相互矛盾的。要克服大功率高频率真空电子器件现所面临的困难，我们只有改变系统结构，在传输大电流的同时降低电子注空间电荷场。
薄带状电子注平板型真空电子器件实现了传输大电流的同时降低空间电荷场，相对于常规的圆柱形电子注器件，它具有空间电荷场低、传输电流大、增益高、效率高的独特优点，因此它是一种有着巨大潜力的大功率高频率真空电子器件。而平板型真空电子器件的成败则取决于其结构的设计。其中，能量输出结构是真空电子器件重要的组成部分，输出结构直接影响着器件的寿命和效率，如何在可加工的范围内，实现能量输出结构和平板型高频结构（也被称为慢波结构）的有效配合，从而让电子注在高频结构中激励高频电磁场，然后在输出结构中实现高效率的能量输出对于研制大功率高频率真空电子器件有着非常重要的意义。
现有的大功率真空电子器件主要有两种能量输出（也称为功率提取）结构，即纵向能量输出和横向能量输出。如图2所示，纵向能量输出结构是圆柱形电子注和高频结构中TM场相互作用，电子减速，TM场被放大，然后通过散焦（即磁场逐步减少），使得电子打在侧壁上，而放大的TM场则继续沿着电子注方向前行，输出能量主要应用于高功率微波和强相对论电子注器件中。如图1所示，横向能量输出是圆柱形电子注和TM场互作用，放大TM场，侧面做能量输出窗提取能量（提取的能量为TE场，因为从提取窗来看，器件中被放大的TM场即为TE场），电子注继续前行打在收集极上，由于收集极入口很小，从而使得放大的TM场截止，不能够进入收集极，其主要应用于常规的圆柱形电子注速调管、行波管和返波管中。
对于大功率的带状电子注平板型真空电子器件来说，采用上述的纵向，横向能量输出方式是不可行的，因为环形电子注具有轴对称结构，通过散焦能够使得电子打到侧壁上，不影响TM场输出，而带状电子注通过散焦，则会四处发散，位于磁场轴线上的电子注甚至可能不受散焦的影响而直接打到输出窗上，严重的影响功率的放大和能量的输出；而采用横向能量输出，则因为带状电子注的具有一定的宽度，如果收集极要有效率的收集电子注，则收集极入口比较宽，无法使收集极入口对放大的TM场进行截止，比如图1中的36GHz返波振荡器，带状电子柱厚1mm，宽30mm，最小的收集极入口即和电子注大小一样时，对应的截止频率为3.26GHz，无法对振荡的36GHz频率毫米波截止，这也就使得大部分的功率进入收集极被衰减掉，大大降低了器件的效率，也使得收集极容易烧毁。
发明内容
为了提高平板型真空电子器件能量输出效率，减少能量损耗，本发明提供一种平板型真空电子器件能量输出结构。该能量输出结构适用于带状电子注平板型真空电子器件，具有更高的能量输出效率和更小的能量损耗，且结构简单、易于加工。
本发明所采用的技术方案是：
一种平板型真空电子器件能量输出结构，如图3所示，包括慢波结构1、矩形斜波导2和矩形直波导3；所述慢波结构1、矩形斜波导2和矩形直波导3三者的窄变尺寸和宽边尺寸一致，所述矩形直波导3与所述慢波结构1平行，所述矩形斜波导2呈倾斜方式两端分别与所述矩形直波导3与所述慢波结构1相连。
所述矩形斜波导2与所述平板型慢波结构1连接方式为圆弧形平滑过度的连接方式。
当带状电子注在平板状慢波结构中运行时，将慢波结构中的电磁场放大，由于本能量输出结构中没有进行散焦，电子注将直接打在倾斜接入的斜波导2的波导壁上，同时，产生TE场输出。理论上，电子注随在高频结构内运动时，产生群聚，如果将电子注视为一电流源，则该电流源和斜插入的波导作用时，可视为一电流源在波导中激励TE场输出。故而，通过合理的设计能够在倾斜连接的斜波导中输出高频场，从而实现高效率的能量输出。
本发明提供的平板型真空电子器件能量输出结构，不同于常规横向能量输出结构，因为该输出结构无需收集极单独收集电子，而是采用斜插入的一截波导同时作为收集极和功率输出波导；不同于常规纵向能量输出结构，因为在这种结构中不需要散焦，电子注直接打在波导壁上，而且其输出不是TM场，而是TE场。
本发明的有益之处是，1）解决了大功率平板型真空电子器件的电子收集和能量输出的问题；2）实现了收集极和能量输出结构一体化，结构简单，易于加工；3）输出效率高。
附图说明
图1是常规横向功率提取装置剖面图；
图2是常规纵向功率提取装置剖面图。
图3是本发明提供的平板型真空电子器件能量输出结构（单栅）的纵向剖面结构示意图。
图4是本发明提供的平板型真空电子器件能量输出结构（双栅）的纵向剖面结构示意图。
图5是采用图1所示的器件在36GHz产生了高功率振荡输出，测量位置为图一的最左端。
具体实施方式
一种平板型真空电子器件能量输出结构，如图3所示，包括慢波结构1、矩形斜波导2和矩形直波导3；所述慢波结构1、矩形斜波导2和矩形直波导3三者的窄变尺寸和宽边尺寸一致，所述矩形直波导3与所述慢波结构1平行，所述矩形斜波导2呈倾斜方式两端分别与所述矩形直波导3与所述慢波结构1相连。
所述矩形斜波导2与所述平板型慢波结构1连接方式为圆弧形平滑过度的连接方式。
图3至图5中，平板型慢波结构1（具体可采用单栅或双栅结构的平板型慢波结构，其中栅结构形状可以是矩形、梯形或三角形；也可采用平板型正弦波导栅慢波结构或平板型交错双栅慢波结构），平板型慢波结构的栅周期、宽边及窄边尺寸等参数根据器件的工作电压，工作电流，高频结构的色散，耦合阻抗等参数所确定。
整个能量输出结构后可以接合适的波导，耦合器或天线。在图3中选用了45度的角度过渡将矩形斜波导2和平板型慢波结构1相连，而在矩形斜波导2后连接矩形直波导3实现了功率输出。在图4中选用了圆弧过渡将矩形斜波导2和平板型慢波结构1相连。在图1中采用了矩形单栅慢波结构，在图3中采用了矩形双栅结构；
实施例1：平板型慢波结构采用矩形双栅慢波结构，根据该矩形双栅的参数确定能量输出结构的高度4mm和宽度46mm。通过计算，采用圆弧过渡（半径为4mm），且能量输出结构和慢波结构之间夹角为45度。电子注和矩形双栅结构互作用，产生大功率毫米波振荡，然后由能量输出结构输出TE波。整个器件在36GHz产生的高功率振荡输出如图5所示（测量位置为图3所示能量输出结构的最左端）。
实施例2：慢波结构采用正弦波导栅（单栅或双栅）慢波结构，其它结构不变，通过优化设计，矩形斜波导2和平板型正弦波导栅慢波结构1之间夹角为30度，输出能量沿矩形直波导3输出。
实施例3：慢波结构采用梯形栅（单栅或双栅）慢波结构，其它结构不变，通过优化设计，矩形斜波导2和平板型梯形栅慢波结构之间夹角为60度，输出能量沿矩形直波导3输出。

Claims (7)

1.一种平板型真空电子器件能量输出结构，包括平板型慢波结构（1）、矩形斜波导（2）和矩形直波导（3）；所述平板型慢波结构（1）、矩形斜波导（2）和矩形直波导（3）三者的窄变尺寸和宽边尺寸一致，所述矩形直波导（3）与所述平板型慢波结构（1）平行，所述矩形斜波导（2）呈倾斜方式两端分别与所述矩形直波导（3）与所述平板型慢波结构（1）相连。
2.根据权利要求1所述的平板型真空电子器件能量输出结构，其特征在于，所述矩形斜波导（2）与所述平板型慢波结构（1）连接方式为圆弧形平滑过度的连接方式。
3.根据权利要求1所述的平板型真空电子器件能量输出结构，其特征在于，所述平板型慢波结构（1）为平板型矩形单栅慢波结构或平板型矩形双栅慢波结构。
4.根据权利要求1所述的平板型真空电子器件能量输出结构，其特征在于，所述平板型慢波结构（1）为平板型梯形单栅慢波结构或平板型梯形双栅慢波结构。
5.根据权利要求1所述的平板型真空电子器件能量输出结构，其特征在于，所述平板型慢波结构（1）为平板型三角形栅慢波结构。
6.根据权利要求1所述的平板型真空电子器件能量输出结构，其特征在于，所述平板型慢波结构（1）为平板型正弦波导栅慢波结构。
7.根据权利要求1所述的平板型真空电子器件能量输出结构，其特征在于，所述平板型慢波结构（1）为平板型交错双栅慢波结构。
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