CN104064422B - 一种小型全金属慢波器件 - Google Patents

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Abstract

该发明属于真空电子技术领域中工作在厘米波及毫米波波段行波管或返波管用小型全金属慢波器件，包括内径不大于工作在中心频率的电磁波自由空间波长1/3的圆筒形金属波导体，间隔设于波导体内的中部开设有一电子束通道、在谐振片的环形片体上对称开设了两个耳廓形通孔的环片式金属电谐振片；该发明由于在各谐振片的环形片体上对称设置两个产生电谐振的耳廓形通孔，从而有效消除了电磁相互耦合、只存在由电偶极子产生的电谐振；以工作在S波段的慢波器件为例，该发明全金属慢波器件的截面积仅为传统耦合腔行波管截面积的35‑50％。因而该全金属慢波器件具有器件体积小、结构简单，功率容量高、输出功率和互作用效率高，以及易于产业化生产等特点。

Description

一种小型全金属慢波器件
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，特别是一种工作在厘米波及毫米波波段行波管或返波管用、并具有高功率容量的基于电谐振特性的亚波长(Sub-wavelength)小型全金属慢波器件，在相同工作条件下该慢波器件的截面积仅为传统相同类型慢波器件的35-50％。
背景技术
真空电子器件具有高功率、高效率等显著的优点，在电子科技领域如通讯、雷达、制导、电子对抗、微波加热、加速器、受控热核聚变等大科学装置上有着重要的应用。随着半导体功率器件的快速发展，真空电子器件如行波管在通讯、雷达等方面面临巨大的挑战。空间行波管由于效率高、功率大、抗外层空间的各种辐射能力强，是目前卫星通讯的心脏器件之一。但如何减小其体积和重量、进一步提高效率是其面临的重大问题。另外，在电子干扰中急需小型化、大功率的真空电子器件作为辐射源；在微波加热中需要连续波、大功率、小型化的功率源。慢波器件是行波管及返波管的核心部件之一，因为电子注与电磁波在慢波器件中相互作用，把电子注的动能转化为高功率微波或毫米波输出。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，而目前得以广泛应用的主要是螺旋线和耦合腔两类慢波器件。
螺旋线行波管由于具有宽频带特性，因而是目前使用最广泛的一类行波管，但因其耦合阻抗相对低，因而输出功率有限，属于中小功率放大器件；如工作在S波段的螺旋线行波管，其耦合阻抗在100到200欧姆之间，由于其加载介质材料，不利于内部产生的热量向外界传递，而且易被较高的电压击穿，因此不具备高功率容量。耦合腔行波管由于是全金属慢波器件，具有高的功率容量，是目前行波管家族中的中大功率输出放大器件，其耦合阻抗在S波段为300—400欧姆之间；但由于结构复杂，装配困难，不利于批量生产。根据行波管的工作原理，其最大输出功率与耦合阻抗的三分之一次方成正比，因此，提高耦合阻抗是提高行波管输出功率和效率的有效方法之一，而提高耦合阻抗，实际就是增强慢波器件中的纵向电场强度。
1996年英国帝国理工学院Pendry等人用一定周期排列的金属细杆(Rod)阵列构造出等效介电常数的实部为负的等效介质(J.B.Pendry,A.J.Holden,W.J.Stewart,andI.Youngs.Extremely low frequency plasmons in metallicmesostructures.Phys.Rev.Lett.,Vol.76,4773-4776,1996.)。2005年，西班牙学者Esteban等基于Pendry等的理论，在工作于截止频率之下的矩形波导中加载二维的金属杆(一般采用铜材料)阵列(如下图1所示)，从原理上说明了该波导也可以传播准TM波(J.Esteban,C.Camacho-Penalosa,J.E.Page,T.M.Martin-Guerrero,and E.Marquez-Segura.Simulation of negative permittivity and negative permeability by meansof evanescent waveguide modes-theory and experiment.IEEE Trans.MicrowaveTheory Tech.,Vol.53,No.4,1506-1514,2005.)。但由于在加载人工电磁媒质的矩形波导中不能很好地形成电子注通道、其互作用效率低，因而不能应用于真空电子器件中。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种小型全金属慢波器件，该慢波器件作为具有高功率容量的基于电谐振特性的全金属慢波器件，以达到结构简单、加工方便，可通过提高器件的耦合阻抗来有效增大器件的输出功率和互作用效率，以及实现器件小型化等目的。
本发明的解决方案是基于反向切伦科夫的相干电磁辐射机理，采用圆筒形金属壳体作为波导体以代替背景技术的矩形波导体，同时在圆筒形波导体内垂直于筒体轴心线设置一组相互平行的金属电谐振片(单元)，在各谐振片的中部均开设一电子束(注)通道、并在各谐振片的环形片体上对称于直径开设两个耳廓形通孔，以产生电谐振使电磁能量局域化而大幅度增强纵向电场的强度、进而增强慢波器件与电子注的相互作用；本发明圆筒形波导体的内径为工作在中心频率的电磁波自由空间波长的亚波长、波导体内平行设置的各相邻金属电谐振片的间距亦根据工作在中心频率的电磁波导波波长决定，整个器件均采用无氧铜制作而不含其它绝缘介质；本发明即以此实现其发明目的。因此，本发明小型全金属慢波器件包括金属波导体，设于波导体内的各金属电谐振单元，关键在于金属波导体是内径为不大于工作在中心频率的电磁波自由空间波长1/3的圆筒形金属波导体，设于波导体内的各金属电谐振单元为中部均开设一电子束通道、并在各谐振片的环形片体上对称于轴截面开设了两个耳廓形通孔的环片式金属电谐振片，电谐振片上各耳廓形通孔的主体为圆环形孔、各圆环形孔的两端均设有一凸向圆心的柱形孔；各环片式金属电谐振片垂直于轴心线、等距离设置于圆筒形金属波导体内并通过各自的外环面与波导体的内壁紧固定成一体。
所述各环片式金属电谐振片中部电子束通道的直径均相等且为圆筒形金属波导体内径的0.25-0.35。所述各谐振片的环形片体上对称于轴截面开设了两个耳廓形通孔，各电谐振片上的两个对称的耳廓形通孔的两两相对端面之间的距离均为圆筒形金属波导体内径的0.05—0.075。所述电谐振片上各耳廓形通孔的主体为圆环形孔、各圆环形孔的两端均设有一凸向圆心的柱形孔，圆环形孔的外环面半径为圆筒形金属波导体内半径的0.85-0.95、圆环形孔内-外环面的距离(即孔的径向宽)为圆筒形金属波导体内半径的0.125-0.175，柱形孔底面宽为圆筒形金属波导体内半径的0.05-0.175、柱形孔底面距圆筒形金属波导体的中心线的垂直距离(即波导体中心线与柱形孔底面的延长面之间的垂线长)为圆筒形金属波导体内半径的0.55-0.65。所述各环片式金属电谐振片垂直于轴心线、等距离设置于圆筒形金属波导体内，环片式金属电谐振片的个数为15—30(个)、各相邻环片式金属电谐振片之间的距离均不大于工作在中心频率的电磁波导波波长的3/5、各环片式金属电谐振片的厚度为1-2mm。所述不大于工作在中心频率的电磁波自由空间波长1/2的圆筒形金属波导体，圆筒形金属波导体的内径为工作在中心频率的电磁波自由空间波长的0.15-0.25。
本发明采用圆筒形金属壳体作为波导体，同时在圆筒形波导体内垂直于筒体轴心线平行设置一组金属电谐振片，在各谐振片中部均开设有一电子束(注)通道、且在各谐振片的环形片体上对称于直径开设两个耳廓形通孔。本发明由于在各谐振片的环形片体上对称设置两个产生电谐振的耳廓形通孔，从而有效消除了电磁相互耦合、只存在由电偶极子产生的电谐振；由于电谐振的存在，导致了电磁能量的局域化，从而大大增强了纵向电场强度，也就大大增强了耦合阻抗，进而提高本发明慢波器件的输出功率和互作用效率；此外，本发明圆筒形金属波导体的内径为工作在中心频率的电磁波亚波长，并采用击穿电压高、有利于散热和提高功率容量的全金属(无氧铜)制作，又使慢波器件易于小型化；本发明S波段全金属慢波器件的直径为40mm，而工作在S波段的传统圆波导其直径为114mm(对于TM01模而言)、本发明的横截面积仅为其12.5％左右；而以工作在S波段的传统耦合腔行波管为例，其横截面积一般在50×50mm至60×60mm之间，本发明也仅为其35-50％。因而，本发明具有器件体积小、结构简单，功率容量高、输出功率和互作用效率高，以及易于产业化生产等特点。
附图说明
图1为本发明结构示意图(剖视图)；
图2为图1的Z向视图；
图3：为本发明具体实方式的色散曲线对比图及归一化相速图；其中：3a为模式1和模式2的色散曲线对比图，3b为模式1的归一化相速图；
图4是本发明具体实施方式的耦合阻抗对比图；其中：4a、4b分别为模式1及模式2的耦合阻抗对比图；
图5是本发明具体实施方式模式1的衰减常数随频率的变化图(坐标图)；
图6为本发明具体实施方式模式1的轴向截面电场分布示意图；中6a为垂向轴截面电场分布示意图、6b为水平轴截面电场分布示意图；
图7是本发明具体实施方式模式1的横截面电场分布示意图；
图8是本发明具体实施方式模式1的水平轴截面磁场分布示意图。
图中：1.圆筒形金属波导体，2.环片式金属电谐振片，3.电子束通道，4.耳廓形通孔、4-1.(耳廓形通孔)端面、4-2.柱形孔底面。
具体实施方式
本实施方式以工作频率范围为2.45-2.50GHz的小型化全金属慢波器件为例：
根据工作在中心频率2.475GHz的被导电磁波的导波波长为85mm，自由空间波长为110mm；本实施方式：圆筒形金属波导体1内径Φ40mm、壁厚为5mm，本实施方式内设24个环片式金属电谐振片2、各相邻谐振片的中心距均为30mm；环片式金属电谐振片2的外径亦为Φ40mm、片体厚1.2mm；设于中心部位的电子束通道3直径Φ12mm；对称于轴截面开设的两个耳廓形通孔4中的各耳廓形通孔中圆环形孔的外环面半径R18mm、内环面半径R15mm(即内-外环面的距离为3mm)，各圆环形孔两端的柱形孔底面4-2宽3mm、柱形孔底面与圆筒形金属波导体中心线的垂直距离为13mm(即各耳廓形通孔两端面4-1径向宽为5mm)，同一电谐振片2上的两个对称的耳廓形通孔两端面4-1之间的距离均为2mm；上述圆筒形金属波导体1和各环片式金属电谐振片2的材质均为无氧铜，各金属电谐振片2的外环面与波导体1的内环面之间紧固连接。
利用三维电磁仿真软件对本实施方式进行仿真运行，其中：图3为色散曲线对比图及归一化相速图(3a为模式1和模式2的色散曲线对比图，3b为模式1的归一化相速图)，3a中模式1为返波，其相速和群速刚好反向，而模式2为前向波、其相速和群速刚好同向，在实施方式中采用模式1作为工作模式，3b中模式1的归一化相速(相速与光速之比)为0.56-0.86；图4为本实施方式的耦合阻抗对比图(4a、4b分别为模式1及模式2的耦合阻抗对比图)，图中可以看出相对于螺旋线行波管和耦合器行波管的慢波器件而言(其耦合阻抗见背景技术)本实方式耦合阻抗增加了2-3倍、耦合阻抗更高，从而大大提高了器件的输出功率和互作用效率；相对于模式1(工作模式)而言，模式2(高次模)的耦合阻抗极低(约差5个数量级)，有利于大大地抑制高次模的干扰，使信号的工作频谱更纯；图5为本发明具体实施方式模式1的衰减常数随频率的变化图，从图中可看出在2.45-2.50GHz的工作频率范围内，工作模式的衰减常数仅为0.053-0.14dB/cm，这充分表明本实施方式慢波器件更有利于提高行波管或返波管的电子效率和输出功率；图6和7为电场分布示意图、图8为磁场分布示意图，从图中可看出工作模式为准TM模，这正是行波管或返波管所需的工作模式；且根据电磁理论中的缩尺原理可工作在毫米波及太赫兹波段。
本实施方式用于S波段的全金属慢波器件的直径为40mm、而工作在S波段的传统圆波导其直径为114mm(对于TM01模而言)，本实施方式的横截面积不足其12.5％；而以工作在S波段的传统耦合腔行波管为例，其横截面积一般在50×50mm至60×60mm之间，本实施方式仅为其35-50％。

Claims (5)

1.一种小型全金属慢波器件，包括金属波导体，设于波导体内的各金属电谐振单元，其特征在于金属波导体是内半径为不大于工作在中心频率的电磁波自由空间波长1/3的圆筒形金属波导体，设于波导体内的各金属电谐振单元为中部均开设一电子束通道、并在各谐振片的环形片体上对称于轴截面开设了两个耳廓形通孔的环片式金属电谐振片，环片式金属电谐振片上各耳廓形通孔的主体为圆环形孔、各圆环形孔的两端均设有一凸向圆心的柱形孔、各环片式金属电谐振片上的两个对称的耳廓形通孔的两两相对端面之间的距离均为圆筒形金属波导体直径的0.05—0.075；各环片式金属电谐振片垂直于轴心线、等距离设置于圆筒形金属波导体内并通过各自的外环面与波导体的内壁紧固定成一体。
2.按权利要求1所述小型全金属慢波器件，其特征在于所述各环片式金属电谐振片中部电子束通道的直径均相等且为圆筒形金属波导体直径的0.25-0.35。
3.按权利要求1所述小型全金属慢波器件，其特征在于所述环片式金属电谐振片上各耳廓形通孔的主体为圆环形孔、各圆环形孔的两端均设有一凸向圆心的柱形孔，圆环形孔的外环面半径为圆筒形金属波导体内半径的0.85-0.95、圆环形孔内-外环面的距离为圆筒形金属波导体内半径的0.125-0.175，柱形孔底面宽为圆筒形金属波导体内半径的0.05-0.175、柱形孔底面距圆筒形金属波导体的中心线的垂直距离为圆筒形金属波导体内半径的0.55-0.65。
4.按权利要求1所述小型全金属慢波器件，其特征在于所述各环片式金属电谐振片垂直于轴心线、等距离设置于圆筒形金属波导体内，环片式金属电谐振片的个数为15—30、各相邻环片式金属电谐振片之间的距离均不大于工作在中心频率的电磁波导波波长的3/5、各环片式金属电谐振片的厚度为1-2mm。
5.按权利要求1所述小型全金属慢波器件，其特征在于所述圆筒形金属波导体，圆筒形金属波导体的内半径为工作在中心频率的电磁波自由空间波长的0.15-0.25。
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