CN103606504B - 一种t形交错双栅慢波器件 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种T形交错双栅慢波器件，属于真空电子技术领域，涉及工作在毫米波及太赫兹波段行波管的慢波器件，包括壳体及分设于内腔上顶面及下底面的栅体，分设于内腔上顶面及下底面的各栅体均是下部为矩形体、顶部设有一平板形栅帽的“T”形栅体，其中相邻两“T”形栅顺轴线方向错位半个周期，上顶面各“T”形栅体与下底面各“T”形栅体之间等距离交错排列，上下两排“T”形栅之间相错半个周期长度。本发明具有耦合阻抗高及色散特性优良，整个器件相对小型化等优点，特别适合太赫兹带状电子注器件，并且具有较高的输出功率和效率。

Description

一种T形交错双栅慢波器件

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，涉及工作在毫米波及太赫兹波段行波管的慢波器件。

背景技术

太赫兹技术是当今最具发展潜力的技术之一，它在通讯、成像领域具有广泛的应用前景。但由于缺乏合适的太赫兹功率源，太赫兹波段的电磁频谱开发仍是空白。真空电子器件具有很大的潜力用来实现大功率太赫兹源。行波管是真空电子学领域内最为重要的一类微波、毫米波放大器，具有大功率、高效率、高增益、宽频带和长寿命的特点，广泛应用于雷达、制导、卫星通信、微波遥感、辐射测量等领域，其性能直接决定着装备的水平。慢波器件作为行波管中电子注与电磁波相互作用产生功率输出的部件，是行波管的核心部件之一。目前常用的慢波器件有螺旋线、耦合腔、曲折波导和矩形栅等。

螺旋线行波管是使用最广泛的一类行波管，但其主要应用在60GHz以下的频段，当工作在毫米波、亚毫米波及太赫兹频段时，将会遇到结构加工困难，输出功率大大降低的问题。目前在100GHz以上的太赫兹波段，曲折波导和矩形栅波导为主要研究的慢波器件，但目前曲折波导慢波器件的电子注通道的加工存在着很大困难，矩形栅慢波器件则存在工作电压高、耦合阻抗不高，从而导致输出功率低、效率低等问题。在“一种使用周期结构的宽频带太赫兹放大器件”（《应用物理学快报》，2008年，92卷，091501-1-091501-3页，作者：Young-MinShin,LarryR.Barnett）一文中研究了一种矩形交错双栅慢波器件，其结构如图1所示，包括：壳体1及其内腔3，分别设于内腔上顶面、下底面的矩形栅体2，在矩形波导体（壳体1）内腔体的上顶面、下底面等距离，上、下交错地分布（设置）一组尺寸相同的矩形栅体，其中上下相邻两矩形栅顺轴线方向错位半个周期，即同一顶面（底面）上相邻两栅体之间中心距为一个周期的长度，上、下栅之间为电子注通道。此类双栅带状电子注慢波器件与圆注状真空电子器件相比，具有平板型、小型化、高工作频率、高功率等优点。但是此类矩形交错双栅慢波器件由于纵向传播方向（平行于带状电子注）的电场较弱，因而器件高频特性中的耦合阻抗较低、色散特性差，从而导致注波互作用效率、输出功率低，器件整体的输出功率和增益差等缺陷。

发明内容

本发明在矩形交错双栅慢波器件的基础上，提出了一种新型T形交错双栅慢波器件。以提高器件耦合阻抗，改善色散特性，并且增大器件的输出功率和效率。

本发明所采用的技术方案是：

一种T形交错双栅慢波器件，如图2所示，在背景技术矩形交错双栅慢波器件的结构的基础上，把背景技术的矩形栅体均改为T形栅体，即在原矩形栅体顶部增设一平板形栅帽，从而成为T形交错双栅慢波器件，通过“栅帽”两侧凸缘在电场中的尖端效应作用下增强电场局域特性、提高电场的耦合阻抗及器件的效率和输出功率，改善其色散特性。因而，本发明T形交错双栅慢波器件包括壳体及分设于内腔上顶面及下底面的栅体，关键在于分设于内腔上顶面及下底面的各栅体均是下部为矩形体、顶部设有一平板形栅帽的“T”形栅体，其中相邻两“T”形栅顺轴线方向错位半个周期（同一顶面（底面）上相邻两栅体之间中心距为一个周期的长度），上顶面各“T”形栅体与下底面各“T”形栅体之间等距离交错排列，上下两排“T”形栅之间相错半个周期长度；各“T”形栅分别与对应的上顶面、下底面整体加工而成。

上述“T”形栅体中：下部矩形体的厚度与顶部平板形栅帽在顺慢波器件轴线方向上的厚度之比为1：1.10-1.35；“T”形栅体高度与“栅帽”高度之比为1：0.04-0.13。

本发明在各矩形体上增设一“栅帽”，由于“栅帽”两侧尖端效应的作用而增强了电场局域特性，提高了慢波器件的耦合阻抗及器件的效率和输出功率，改善了色散特性；如工作频率在138-155GHz这个频段，本发明工作电压的变化范围仅为背景技术工作电压变化范围的1/6，工作电压降低了大约200-300V,有利于整个器件的小型化，并且在整个工作频率范围内耦合阻抗提高了0.5Ω左右。因此，本发明具有耦合阻抗高及色散特性优良，整个器件相对小型化等优点，特别适合太赫兹带状电子注器件，并且增大了输出功率和效率。

附图说明

图1是背景技术矩形交错双栅慢波器件模型示意图；

图2是本发明T形交错双栅慢波器件模型示意图；

图3是本发明实施例与背景技术的色散曲线对比图；

图4是本发明实施例与背景技术的耦合阻抗对比图。

图中：1.壳体，2.栅体，2-1.（顶部）栅帽，2-2.矩形体，3.内腔。

具体实施方式

本实施方式以工作频率范围为138-155GHz的T形交错双栅慢波器件为例。

设定如下具体尺寸：T形交错双栅慢波器件的端面（横截面）宽×高为1.21mm×1.07mm，周期为0.75mm，电子注通道高度为0.21mm，T形栅体的高度为0.43mm，栅帽的高度为0.05mm，矩形体的厚度为0.17mm，栅帽的厚度为0.20mm；背景技术矩形交错双栅慢波器件栅帽的宽度则为0.17mm，其它参数与T形交错双栅一致；得到两种交错双栅慢波器件，然后利用三维电磁仿真软件对上述慢波器件进行仿真，获得色散曲线如图3、耦合阻抗如图4。如图3所示，在138-155GHz的工作频率范围内，背景技术归一化相速（相速与光速之比）为0.27813-0.27906（对应工作电压为19.79-19.922kV），工作电压变化范围为132V；本发明的归一化相速范围为0.27696-0.27711(对应工作电压为19.624-19.645kV)，这样工作电压降低了166-277V，从而有利于小型化，工作电压变化范围为21V，背景技术工作电压的变化范围是本发明工作电压变化范围的6倍，所以本发明的色散特性非常优良，这对行波管的工作是极为有利的。如图4所示，可以看出本发明具有比背景技术更高的耦合阻抗，在138-155GHz的整个工作频率范围内耦合阻抗提高了大约0.5Ω。综上所述，T形交错双栅慢波器件比矩形交错双栅慢波器件具有更优良的高频特性，从而T形交错双栅行波管具有更大的输出功率和效率，是一类优良的大功率太赫兹源。

Claims (2)

1.一种T形交错双栅慢波器件，包括壳体及分设于内腔上顶面及下底面的栅体，其特征在于分设于内腔上顶面及下底面的各栅体均是下部为矩形体、顶部设有一平板形栅帽的“T”形栅体，其中相邻两“T”形栅顺轴线方向错位半个周期，上顶面各“T”形栅体与下底面各“T”形栅体之间等距离交错排列，上下两排“T”形栅之间相错半个周期长度；各“T”形栅分别与对应的上顶面、下底面整体成型。

2.按权利要求1所述T形交错双栅慢波器件，其特征在于所述“T”形栅体下部矩形体的厚度与顶部平板形栅帽在顺慢波器件轴线方向上的厚度之比为1：1.10-1.35；“T”形栅体高度与“栅帽”高度之比为1：0.04-0.13。