CN104183444B - 一种具有内径尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构 - Google Patents

Abstract

一种具有内径尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构，属于微波真空电子器件领域，沿慢波结构轴线的电子注通道由传统的均匀圆柱形变为内径尺寸渐变的圆锥形；电子注通道横截面尺寸沿纵向逐渐递减，形成互作用区中电磁场强度沿纵向逐渐增强；通过模拟选择、调整径向尺寸实现递减电子注通道的角度优化，以实现通道中电子注更充分的将能量交给电磁场，提高了互作用阻抗以及电子注逐渐接近电子注通道边缘的强场区，器件输出功率性能得到了提高。

Description

一种具有内径尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构

技术领域

本发明属于微波真空电子器件领域，具体涉及到一种具有尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构。

背景技术

在短毫米波段(40GHz-300GHz)和太赫兹频域(300GHz-3000GHz)，利用线性注真空电子器件可以产生大功率和小型化的太赫兹真空辐射源，如返波振荡器、扩展互作用器件和行波器件等。随着工作频率的提高,所采用慢波结构的特征尺寸逐渐减小。因而，为了获得高功率输出，在大电流密度电流产生和维持、高精度加工工艺和高对中要求等技术问题上受到限制。在现有的技术水平下，电子注在经过慢波结构时会发生比较严重的截获现象，截获造成的低流通率会降低器件的功率和效率等关键性能指标。虽然在实际研制中可以采取让电子注集中在电子注通道中心区域的方法来提高流通率，但由于远离电子注通道边界部分会显著的降低耦合阻抗，这种设计方法仍将限制器件的输出功率。

在有待开发的新型慢波结构中，除了完成传统慢波结构的降低电磁波相速度使之与电子保持同步的作用外，首先，利用所研发的尺寸递减电子注通道沿纵向不断增强互作用区的纵向电磁场，其次，电子注行进的路径经过通道边缘强场区，增强电子注和电磁波之间的能量交换，最后，利用全金属慢波结构散热能力强的特点，完成收集部分甚至全部换能后电子的功能，由于电子已经将能量传输给电磁波，此时功率不再与流通率直接相关。针对短毫米波及太赫兹辐射源增大功率和提高效率的需求，通过新型尺寸递减电子注通道结构，使电子注在行进时每一层电子注都不断的接近电子注通道边界所处的强场区，从而获得持续的、更有效的注-波互作用，可以通过改变电子注通道尺寸递减程度的方法，提高电子交出的能量，本申请研发了这种带有创新电子注结构的折叠波导慢波结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，当器件工作频率逐渐提高时，所采用慢波结构的尺寸将逐渐减小，这就会降低电真空器件中电子注流通率和输出功率。为了克服这些困难，就需要创新的研发一种新型的具有尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构，来替代传统慢波结构的柱形电子注通道。

本发明的目的是提供一种具有尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构，为了实现本发明目的，所采用的技术方案是：

一种具有内径尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构，其特征在于，沿慢波结构轴线的电子注通道由传统的均匀圆柱形变为内径尺寸渐变的圆锥形；电子注通道横截面尺寸沿纵向逐渐递减，形成互作用区中电磁场强度沿纵向逐渐增强；通过模拟选择、调整径向尺寸实现递减电子注通道的角度优化，以实现通道中电子注更充分的将能量交给电磁场。

优化作用使每一层电子注在行进中都尽可能长时间处在通道边缘的强场区，可实现电子注更充分的将能量交给电磁场，换能后电子的截获不影响输出功率，利用全金属折叠波导慢波结构实现热管理。本发明可以提高太赫兹辐射源的电子效率和输出功率性能。

本发明的有益效果是，提高了互作用阻抗以及电子注逐渐接近电子注通道边缘的强场区，器件输出功率性能得到了提高。利用换能后电子的截获不影响输出功率，同时基于全金属折叠波导慢波结构的良好散热能力，避免了传统器件在太赫兹频域出现的低电子流通率造成的功率性能下降的问题。

附图说明

图1为折叠波导慢波结构的剖面图；

图2为本发明一种径向尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构剖面图；

图3为本发明径向尺寸递减电子注通道对折叠波导慢波结构耦合阻抗的影响；

图4为本发明电子注通道不同位置对折叠波导慢波结构耦合阻抗的影响；

图5为电子注在行进中从外到内各层电子逐渐进入电子注通道边缘的强场区示意图；

图6为采用本发明慢波结构的器件的振荡功率；

图7为同尺寸传统折叠波导慢波结构振荡功率性能比较；

具体实施方案

为了清楚说明这种具有径向尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构的效果，特举出以下实例，设定结构尺寸a＝1.9mm,b＝0.3mm，p＝0.7mm，h＝0.7mm，d＝0.44mm。利用三维电磁软件对本发明的一种径向尺寸递减电子注通道的全金属慢波结构进行模拟，计算得到电子注通道尺寸以及通道内不同位置的耦合阻抗，模拟了采用会聚型电子注通道的全金属慢波结构器件的性能，此时，电子注通道入口处直径为0.44mm、出口处为0.16mm的圆锥形。将模拟结果与相同几何尺寸的传统慢波结构的注波互作用结果进行对比，慢波结构的耦合阻抗模拟和器件模拟结果已分别在附图中表示。可以看出在同样的互作用长度条件下，功率增加到原数值的1.5倍。下面结合附图具体说明：

参照图1，表示传统折叠波导慢波结构的剖面图，波导的宽边长为a，b为波导的窄边长，几何周期为2p，直波导高度为h,圆柱形电子注通道直径为d。

参照图2，为本发明一种径向尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构剖面图，波导的宽边长为a，b为波导的窄边长，几何周期为2p，直波导高度为h,圆锥形电子注通道入口处直径为d₁，出口处直径为d₂，其夹角为θ，其中，d₁>d₂，d₂≥0。

参照图3，为本发明径向尺寸递减电子注通道对折叠波导慢波结构耦合阻抗的影响，慢波结构轴线耦合阻抗K_C随着电子注通道直径d的减小而增大，变化趋势近似为线性变化，因此圆锥形电子注通道会使得慢波结构的耦合阻抗沿着电子注行进的方向不断增加，也就是说在互作用区能够建立起注波互作用所需要的更大的纵向电磁场。

参照图4，为本发明电子注通道不同位置对折叠波导慢波结构耦合阻抗的影响，由于电磁波在电子注通道中呈凋落变化，在中心即轴线位置耦合阻抗K_C为最小值，当位置沿X轴和Y轴向通道边缘移动时，耦合阻抗值不断增大，到达通道边缘耦合阻抗达到最大值。

参照图5，为电子注在行进中从外到内各层电子逐渐进入电子注通道边缘的强场区示意图，通过电子注通道末端直径的选取可以让更多的电子进入到强场区，通过电子注通道距离的优化可以让进入到强场区的电子行进足够长的时间，以将其能量充分的交给电磁场，获得更大的输出功率。

参照图6，为采用本发明慢波结构的一种振荡器性能，一种尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构的尺寸如下：a＝1.9mm,b＝0.3mm，p＝h＝0.7mm，d1＝0.44mm,d2＝0.16mm。利用三维电磁软件对使用了本发明的一种尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构的振荡器进行了模拟，计算得到振荡功率Pout。

参照图7，给出了相同几何尺寸传统慢波结构的振荡器输出功率和振荡频率，采用本发明慢波结构后，振荡器的输出功率从135W提高到209W，功率提高幅度达到55％，振荡频率只变化了0.8％，振荡达到稳态的时间减小了50％，因此只需要进行简单的几何尺寸或电压调整，利用本新型结构的器件就可以实现相同振荡频率条件下输出功率的大幅提升；模拟结果说明本发明所述的新型慢波结构为核心的微波电真空器件能够实现更大的功率，同时避开了需要提高电子流通率的技术难题，由于采用了全金属慢波结构，电子截获所产生的热能可以得到有效的管理，不致损毁。

Claims (1)

1.一种具有内径尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构，其特征在于，沿慢波结构轴线的电子注通道由传统的均匀圆柱形变为内径尺寸渐变的圆锥形；电子注通道横截面尺寸沿纵向逐渐递减，形成互作用区中电磁场强度沿纵向逐渐增强；通过模拟选择、调整径向尺寸实现递减电子注通道的角度优化，以实现通道中电子注更充分的将能量交给电磁场。