CN104576266B - 一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构，将折叠波导一侧的弯曲波导设置到沿中线对称的位置上；具体结构包括：由多个直波导组成的直波导阵列，以及多个弯曲波导；其中，每两个相邻的直波导通过一个弯曲波导连接，形成周期性结构；电子注通道贯穿直波导阵列。本发明的单侧折叠波导慢波结构，通过将一侧的弯曲波导转移到中线对称位置，使慢波结构的基波为前向波，返波振荡器可以利用单侧折叠波导慢波结构，同时实现适当的工作电压和较高的耦合阻抗。

Description

一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构
技术领域
本发明涉及微波真空电子器件领域，特别是涉及一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构。
背景技术
返波振荡器是一种微波真空电子器件，它利用慢波结构上的返波与电子注相互作用而产生微波振荡，可在很宽的频带内实现电子调谐。对于太赫兹科学技术及相关应用，目前返波振荡器是一类实用化程度很高的辐射源。随着微波真空电子器件的工作频率提高到短毫米波(40GHz-300GHz)甚至太赫兹(300GHz-3000GHz)，折叠波导已经成为最常用的一种慢波结构，如图1所示，U型弯曲折叠波导慢波结构是将矩形波导沿电场面弯曲，组成一系列直波导和半圆弯曲波导的周期结构，圆柱型电子注通道位于折叠波导慢波结构的中轴线上，a表示矩形波导的宽边长，b为波导的窄边长，几何周期为2p，直波导长度为h，电子注通道半径为rc。直角弯曲折叠波导和U型弯曲折叠波导慢波结构类似，只是将弯曲用直角形状代替。折叠波导慢波结构色散曲线示意图如图2所示。这类适用于行波管的折叠波导慢波结构对于返波振荡器遇到了很大的技术问题，最大的缺点是返波的耦合阻抗相对于前向波小一个数量级。造成这一问题的原因是，由于折叠波导特有的几何结构，其基波为返波(电压过高，难以实际应用)，前向波器件一般利用其-1次空间谐波作为工作模式，为了使返波振荡器能够工作于适当的工作电压，一般工作在+1次空间谐波的返波，此处的耦合阻抗较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构，用以解决现有技术中折叠波导慢波结构在返波振荡器中低耦合阻抗的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构，将折叠波导一侧的弯曲波导设置到沿中线对称的位置上。
进一步，所述单侧折叠波导慢波结构具体结构包括：
由多个直波导组成的直波导阵列，以及多个弯曲波导；其中，每两个相邻的直波导通过一个弯曲波导连接，形成周期性结构；电子注通道贯穿直波导阵列。
进一步，弯曲波导为半圆弯曲波导或直角弯曲波导。
进一步，所述单侧折叠波导慢波结构适用于短毫米波返波振荡器和太赫兹返波振荡器。
本发明有益效果如下：
本发明的的单侧折叠波导慢波结构，通过将一侧的弯曲波导转移到中线对称位置，使慢波结构的基波为前向波，返波振荡器可以利用单侧折叠波导慢波结构，同时实现适当的工作电压和较高的耦合阻抗。
附图说明
图1现有U型弯曲和直角弯曲折叠波导慢波结构对比图；
图2现有折叠波导慢波结构色散曲线示意图；
图3A是本发明实施例中为单侧为半圆弯曲波导的折叠波导慢波结构示意图；
图3B是本发明实施例中单侧为直角弯曲波导的折叠波导慢波结构示意图；
图4是本发明实施例中单侧折叠波导慢波结构色散曲线示意图；
图5是将本发明慢波结构和现有折叠波导慢波结构用于返波振荡器的色散特性比较图；
图6是将本发明慢波结构和现有折叠波导慢波结构用于返波振荡器的轴线耦合阻抗比较图。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明为了克服现有技术中折叠波导慢波结构在返波振荡器中低耦合阻抗问题，同时在不增加工艺精度和复杂性的前提下，通过将一侧的弯曲波导转移到中线对称位置的方式，保留折叠波导慢波结构的全金属结构，色散特性较好、耦合匹配简单以及和微加工工艺兼容等优势，提高短毫米波及太赫兹返波振荡器的功率量级，本发明提出了一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构。
本发明的目的是提供一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构，所采用的技术方案是：
一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构，如图3A、3B所示，包括：
由多个直波导组成的直波导阵列，以及多个弯曲波导；其中，每两个相邻的直波导通过一个弯曲波导连接，形成周期性结构；电子注通道贯穿直波导阵列。弯曲波导可以为半圆弯曲波导或直角弯曲波导。
本发明实施例的单侧折叠波导慢波结构，将矩形波导沿电场面弯曲，组成一系列直波导和半圆/直角弯曲波导的周期结构，圆柱型电子注通道贯穿直波导阵列，a表示矩形波导的宽边长，b为波导的窄边长，几何周期为p，直波导长度为h，电子注通道半径为rc，电子注通道轴线距离直波导底面的距离为t。单侧折叠波导慢波结构色散曲线示意图如图4所示，单侧折叠波导慢波结构可以视为将折叠波导一侧的弯曲波导转移到中线对称位置，利用这一创新结构，单侧折叠波导慢波结构具有适用于短毫米波及太赫兹返波振荡器的基波为前向波的特点，提高了耦合阻抗。
任意选择一种用于返波振荡器的U型弯曲的单侧折叠波导慢波结构，电子注通道位于直波导阵列的中轴线上，设定结构尺寸(单位：mm)a＝1.9，b＝0.3，p＝0.7，h＝0.7，rc＝0.22，t＝0.35。利用三维电磁软件对本发明的慢波结构进行模拟，计算得到适用于返波振荡器相应模式的轴线耦合阻抗，并与相同几何尺寸的U型弯曲折叠波导慢波结构的冷特性参数进行对比，慢波结构的色散曲线和轴线耦合阻抗模拟结果如图5和图6所示。
图5的结果显示，对比现有技术的折叠波导慢波结构，单侧折叠波导慢波结构的基波为前向波，返波振荡器可以选择-1次空间谐波作为工作模式，有利于提高耦合阻抗。选取这一工作模式将在一定程度上提高器件的工作电压，此时用于返波振荡器的新结构工作电压与折叠波导慢波结构行波管的工作电压近似，在94GHz附近的工作电压在22kV左右。工作电压的提升可以增加器件的直流功率，有利于器件输出功率的提高，也可以选择通过对单侧折叠波导慢波结构进行结构设计将工作电压降低到较低范围内。
图6的结果显示，对比现有技术的折叠波导慢波结构，单侧折叠波导慢波结构耦合阻抗整体提高，耦合阻抗提高的幅度随着频率的增加而增加，其中85GHz的耦合阻抗提高了约3.5倍，90GHz的耦合阻抗提高了约7倍，95GHz的耦合阻抗提高了约13.8倍，100GHz的耦合阻抗提高了约26.8倍，说明以本发明实施例的慢波结构为核心的返波振荡器能够实现更更大的功率，而且在高频率区域显示出更大的优势。在对这种慢波结构的尺寸进行专门的优化后，耦合阻抗具有进一步提升的空间。
本发明的的单侧折叠波导慢波结构，保持全金属慢波结构，具有色散平坦、耦合结构简单，以及可以与微加工工艺兼容等优势，而且，通过将一侧的弯曲波导转移到中线对称位置，利用这一创新结构，使慢波结构的基波为前向波，返波振荡器可以利用单侧折叠波导慢波结构的-1次空间谐波，这种单侧折叠波导慢波结构对于返波振荡器可以同时实现适当的工作电压和较高的耦合阻抗，能够应用于短毫米波及太赫兹波段返波振荡器。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (2)

1.一种用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构，其特征在于，将折叠波导一侧的弯曲波导设置到沿中线对称的位置上，使得弯曲波导全部位于折叠波导阵列的另一侧；所述单侧折叠波导慢波结构具体结构包括：由多个直波导组成的直波导阵列，以及多个弯曲波导；其中，每两个相邻的直波导通过一个弯曲波导连接，形成周期性结构；电子注通道贯穿直波导阵列；弯曲波导为半圆弯曲波导或直角弯曲波导。
2.如权利要求1所述的用于返波振荡器的单侧折叠波导慢波结构，其特征在于，所述单侧折叠波导慢波结构适用于短毫米波返波振荡器和太赫兹返波振荡器。
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