CN105470075A - 一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器。该折叠波慢波结构的具有周期性结构的折叠波导中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面在波导连接段一侧具有余弦轮廓。该能量耦合器包括矩形波导，该矩形波导在余弦栅加载折叠波导慢波结构一侧与余弦轮廓栅对应地形成有金属脊。根据本发明的能量耦合器结构简单，其与具有复杂结构的余弦栅加载折叠波导慢波结构的输入和输出相连，组成带有能量耦合器的高频系统，可以实现电磁场从矩形波导的有效输入/输出。

Description

一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器

技术领域

本发明属于微波真空电子器件领域，具体涉及到一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器。

背景技术

行波管是当代国防装备和国民经济都在使用的一种重要的电子器件，作为广播电台和电视台的发射源、微波通讯和卫星通讯的转发器等已经具有十分广泛的应用。近年来，随着应用需求的发展，行波管正在向以毫米波甚至太赫兹频域为工作频率的方向拓展。作为行波管核心的慢波结构也得到充分关注，其中折叠波导慢波结构及其变形结构获得了广泛和深入的研究。

在慢波结构的发展过程中，加工技术起着决定性作用。随着当前更先进的加工技术获得了快速的发展，如果能用3D打印技术制造慢波结构，可以通过更复杂的三维结构提高慢波结构的性能并简化工艺。

根据目前国内外短毫米波及太赫兹真空电子器件的研制情况，折叠波导已经成为最常用的一种慢波结构。如图1所示，折叠波导慢波结构是将矩形波导沿电场面弯曲，组成一系列直波导段和波导连接段的周期结构，电子注通道位于折叠波导慢波结构的中轴线上，其中a表示波导的宽边长，b为波导的窄边长，几何周期为p，直波导段高度为h，电子注通道半径为r_c。为了提高折叠波导慢波结构的耦合阻抗，国内外学者提出了多种新型折叠波导慢波结构，设计思路均是在折叠波导的几何形状结构上加载一定的二维几何结构，通过简单的金属脊或空气槽的加载，改善其性能。由于加载了几何结构的折叠波导仍基于二维平面结构，基于更复杂机构进行优化的效果仍有很大潜力。

基于这一趋势，本发明的申请人提出了一种余弦栅加载折叠波导慢波结构。如图2A-2C和图3A-3C所示，这种折叠波导慢波结构中，具有周期性结构的折叠波导中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面在波导连接段一侧具有余弦轮廓，其中，波导的宽边长为a，波导的窄边长为b，几何周期为p，金属栅高度为h,电子注通道半径为r_c，余弦幅值为Ac，满足h/2≥Ac>0。这一结构可以拓展以折叠波导慢波结构为核心的短毫米波及太赫兹真空电子器件的性能和适用范围。通过使折叠波导的直波导段和波导连接段形成类脊波导状，这种慢波结构可以覆盖很宽的带宽。此时其能量耦合器的性能将决定慢波结构带宽性能是否可以被充分的发挥。对比用于常规的慢波结构能量耦合器，由简单的矩形波导结构过渡到复杂的慢波结构时通常存在较大的阻抗不匹配。图4给出了利用三维模拟软件得出的由矩形波导结构直接过渡到图2A-2C所示余弦栅加载折叠波导慢波结构时的电压注波比，可以看出匹配很差，无法满足要求。

因此，需要提供一种针对余弦栅加载折叠波导慢波结构的能力耦合器结构，以满足新型折叠波导慢波结构的实用化需要。

发明内容

为了实现将电磁波信号很好的耦合进余弦栅加载折叠波导慢波结构，并将放大后的能量高效的输出，本发明提出了一种适用于余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器。

根据本发明的一个方面，提供一种能量耦合器，其中该能量耦合器包括矩形波导，以及位于矩形波导一端的一个或多个金属脊，各金属脊形成在矩形波导宽边之一的中心，具有第一长度、宽度和高度并自矩形波导侧以第二长度渐变至所述高度。

根据本发明的另一方面，提供一种余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其中所述折叠波慢波结构的具有周期性结构的折叠波导中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，该能量耦合器包括矩形波导，该矩形波导在余弦栅加载折叠波导慢波结构一侧与余弦轮廓栅对应地形成有金属脊。

优选地，所述金属脊具有第一长度、宽度和高度，并自矩形波导侧以第二长度渐变至所述高度。

优选地，所述折叠波导慢波结构包括贯穿各栅的一个电子注通道，慢波结构余弦轮廓栅的波峰与电子注通道的中心相对应，该能量耦合器包括与该电子注通道对应的一个金属脊。

优选地，所述折叠波导慢波结构包括贯穿各栅的多个电子注通道，慢波结构余弦轮廓栅的各波峰分别与各电子注通道的中心相对应，该能量耦合器包括与该多个电子注通道对应的多个金属脊。

优选地，每个金属脊具有与折叠波导慢波结构相应的电子注通道结构。

根据本发明的再一方面，提供一种高频系统，包括余弦栅加载折叠波导慢波结构和能量耦合器，其中所述折叠波导慢波结构的具有周期性结构的折叠波导中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，该能量耦合器包括矩形波导，位于矩形波导一端的金属脊，各金属脊形成在矩形波导宽边之一的中心，具有第一长度、宽度和高度并自矩形波导侧以第二长度渐变至所述高度，所述能量耦合器与所述余弦栅加载折叠波导慢波结构耦合，金属脊与邻近的余弦轮廓栅位置对应地设置。

优选地，所述每个金属脊具有与折叠波导慢波结构相应的电子注通道结构。

优选地，所述折叠波导慢波结构包括贯穿各栅的多个电子注通道，慢波结构余弦轮廓栅的各波峰分别与各电子注通道的中心相对应，该能量耦合器包括与该多个电子注通道对应设置的多个金属脊。

本发明的有益效果如下：

根据本发明的余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器中，形成有从矩形波导到余弦栅加载折叠波导慢波结构的过渡段，该过渡段包括与矩形波导相同尺寸的渐变金属脊波导段和矩形金属脊波导段，利用金属脊波导对波导下截止频率的降低实现电磁波阻抗匹配，电磁波能够在宽频带以较小的反射完成能量输入/输出耦合。

根据本发明的能量耦合器结构简单，利用结构简单的能量耦合器与具有复杂结构的余弦栅加载折叠波导慢波结构的输入和输出相连，组成带有能量耦合器的高频系统，可以实现电磁场从矩形波导的有效输入/输出。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为一种矩形栅加载折叠波导慢波结构的单周期几何示意图；

图2A-2C为一种余弦栅加载折叠波导慢波结构的几何示意图；

图3A-3C为另一种余弦栅加载折叠波导慢波结构的几何示意图；

图4为利用三维模拟软件得出的由矩形波导直接过渡到图2慢波结构时的电压注波比；

图5A-5B为根据本发明实施例的余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器的结构示意图；

图6为根据本发明高频系统的结构示意图；

图7为使用了本发明一种余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器的高频系统匹配性能。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

下面以单电子注通道余弦栅加载折叠波导慢波结构为例，具体说明根据本发明的能量耦合器和高频系统。

图5A-5B示出根据本发明实施例的余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器的结构示意图，能量耦合器用于将矩形波导与余弦栅加载折叠波导慢波结构耦合，以便实现电磁场从矩形波导的有效输入/输出。余弦栅加载折叠波导慢波结构例如，如图2A-2C或图3A-3C所示，或具有相似的结构。

该能量耦合器包括矩形波导段501和过渡段，该过渡段包括慢波结构侧的金属脊波导段503及位于矩形波导段和金属脊波导段间的渐变金属脊波导段502。矩形波导段的矩形波导宽边和窄边分别为a’和b’，位于金属脊波导段中的金属脊的长宽高分别是l1’，w’和h’,渐变金属脊波导段中的金属脊的长度为l2’，电子注通道半径为rc。所述金属脊和渐变金属脊的长度沿电子注通道设置，高度不影响电子注通道。渐变段中的金属脊以长度l2’将高度从0增加到h’。如果金属脊的高度过高，则将金属脊靠近电子注通道的端面形成为与电子注通道相匹配的形状504，其半径为电子注通道的半径rc。本领域技术人员可根据慢波结构的设计参数，选择合理的结构尺寸，例如波导的宽边长、窄边长和周期等，并通过调整栅端面余弦轮廓的尺寸特别是直波导段栅高度和余弦幅值的大小，来优化折叠波慢波器件的性能。进一步，本领域技术人员可根据慢波结构的设计参数，基于本发明耦合器的结构，选择合理的结构尺寸，例如矩形波导的宽边长和窄边长等，并通过调整金属脊的长宽高和渐变部分的长度，来实现良好的耦合效率。

图6为根据本发明高频系统的结构示意图，当能量耦合器用作输入耦合器601和输出耦合器603与余弦栅加载折叠波导慢波结构602构成高频系统时，耦合器601,603具有金属脊的一侧与慢波结构602耦合，金属脊的位置与其所邻近的慢波结构余弦轮廓栅的位置对应。

本领域技术人员可以理解，当余弦栅加载折叠波导慢波结构具有多电子注通道且余弦栅具有相应多个周期的余弦轮廓时，适用于这种慢波结构的耦合器在矩形波导内具有相应多个金属脊，每个脊分别与相应的电子注通道对应。优选地，每个金属脊具有与慢波结构贯通的以波导中心线为轴线的电子注通道结构。

对比例

在短毫米波区域，一种单电子注通道余弦栅加载折叠波导慢波结构具体方案的结构尺寸如下(单位mm)：a＝1.3，b＝0.3，p＝1.32，rc＝0.18，Ac＝0.33。

图4示出利用简单的矩形波导作为耦合器，矩形波导宽边和窄边分别为a’＝2.54和b’＝1.32，利用三维模拟软件得出的由矩形波导直接过渡到余弦栅加载折叠波导慢波结构时的电压注波比。由显示的性能可以看出，该慢波结构不能通过直接连接矩形波导获得可用的匹配。这意味着必须引入额外的耦合器进行过渡。

实例

在短毫米波区域，一种单电子注通道余弦栅加载折叠波导慢波结构具体方案的结构尺寸如下(单位mm)：a＝1.3，b＝0.3，p＝1.32，rc＝0.18，Ac＝0.33。根据本发明的能量耦合器的结构尺寸为(单位mm)：矩形波导宽边和窄边分别为a’＝2.54和b’＝1.32，单脊波导段的金属脊的长宽高分别是l1’＝0.792，w’＝0.5和h’＝0.4，渐变单脊波导段脊的长度为l2’＝0.53，该耦合器具有与慢波结构贯通的以波导中心线为轴线的电子注通道结构，对应的电子注通道半径为rc＝0.18。

图7为使用了本实例的高频系统匹配性能。通过三维模拟软件得出的结果显示，在30GHz的频带范围内，电压驻波比小于2，在宽带范围内实现了良好的匹配。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种能量耦合器，其特征在于，该能量耦合器包括

矩形波导，以及

位于矩形波导一端的一个或多个金属脊，各金属脊形成在矩形波导宽边之一的中心，具有第一长度、宽度和高度并自矩形波导侧以第二长度渐变至所述高度。

2.一种余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，

所述折叠波慢波结构的具有周期性结构的折叠波导中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，

该能量耦合器包括矩形波导，该矩形波导在余弦栅加载折叠波导慢波结构一侧与余弦轮廓栅对应地形成有金属脊。

3.如权利要求2所述的余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，所述金属脊具有第一长度、宽度和高度，并自矩形波导侧以第二长度渐变至所述高度。

4.如权利要求2所述的余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，所述折叠波导慢波结构包括贯穿各栅的一个电子注通道，慢波结构余弦轮廓栅的波峰与电子注通道的中心相对应，该能量耦合器包括与该电子注通道对应的一个金属脊。

5.如权利要求2所述的余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，

所述折叠波导慢波结构包括贯穿各栅的多个电子注通道，慢波结构余弦轮廓栅的各波峰分别与各电子注通道的中心相对应，该能量耦合器包括与该多个电子注通道对应的多个金属脊。

6.如权利要求1所述的余弦栅加载折叠波导慢波结构的能量耦合器，其特征在于，每个金属脊具有与折叠波导慢波结构相应的电子注通道结构。

7.一种高频系统，包括余弦栅加载折叠波导慢波结构和能量耦合器，其特征在于，

所述折叠波导慢波结构的具有周期性结构的折叠波导中相邻直波导段之间的各栅垂直于慢波结构轴线的端面具有余弦轮廓，

该能量耦合器包括矩形波导，位于矩形波导一端的金属脊，各金属脊形成在矩形波导宽边之一的中心，具有第一长度、宽度和高度并自矩形波导侧以第二长度渐变至所述高度，

所述能量耦合器与所述余弦栅加载折叠波导慢波结构耦合，金属脊与邻近的余弦轮廓栅位置对应地设置。

8.如权利要求7所述的高频系统，其特征在于，所述每个金属脊具有与折叠波导慢波结构相应的电子注通道结构。

9.如权利要求7所述的高频系统，其特征在于，所述折叠波导慢波结构包括贯穿各栅的多个电子注通道，慢波结构余弦轮廓栅的各波峰分别与各电子注通道的中心相对应，该能量耦合器包括与该多个电子注通道对应设置的多个金属脊。