CN105489459A

CN105489459A - 一种新型半周期交错双栅慢波结构

Info

Publication number: CN105489459A
Application number: CN201510894379.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡军; 冯进军; 邬显平
Original assignee: CETC 12 Research Institute
Current assignee: CETC 12 Research Institute
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2016-04-13

Abstract

本发明提出了一种新型半周期交错双栅慢波结构，包括：矩形栅：在矩形波导的两个宽边上呈半周期交错排列；电子注通道，设置于所述矩形波导的中心处，并且沿所述矩形波导轴线方向贯穿所述矩形波导；其中，所述矩形栅与所述电子注通道相交，提高了耦合阻抗，适用于太赫兹器件增益和效率的提高。

Description

一种新型半周期交错双栅慢波结构

技术领域

本发明涉及微波真空电子器件技术领域，尤其涉及一种新型半周期交错双栅慢波结构。

背景技术

慢波结构主要应用于行波型微波真空电子器件，也可作为谐振腔用于扩展互作用型驻波器件，作用是降低在其中传输的电磁波的相速度，使电磁波与电子注保持同步，以获得注波之间有效的互作用，属于微波真空电子器件的核心部分。

随着频率提高到太赫兹波段，最常用的慢波结构由于加工、散热等技术难题在使用时受到很大的限制，因此，新型慢波结构的探索工作得到了广泛的重视。目前的慢波结构的最大特点是可以与微加工兼容，因此可以通过这种先进的加工方法得到高精度、小尺寸的太赫兹慢波结构，但是出现的问题，要么是高频损耗大的问题，要么是在电子注通道附近，能与电子注发生有效注波互作用的电磁场有效分量比例大大降低，即耦合阻抗下降。众所周知，耦合阻抗是一项重要的冷特性参数，根据皮尔斯小信号理论和微波管大信号理论，耦合阻抗值偏低会影响器件的增益、功率及效率等关键技术指标。因此，需要一种新型半周期交错双栅慢波结构，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

发明内容

本发明提供一种新型半周期交错双栅慢波结构，提高了耦合阻抗，适用于太赫兹器件增益和效率的提高。

本发明采用的技术方案是：

一种新型半周期交错双栅慢波结构，其包括：矩形栅：在矩形波导的两个宽边上呈半周期交错排列；电子注通道，设置于所述矩形波导的中心处，并且沿所述矩形波导轴线方向贯穿所述矩形波导；其中，所述矩形栅与所述电子注通道相交。

优选地，所述矩形栅与所述电子注通道相交的部分沿所述矩形栅的高度方向的长度为d，所述电子注通道为圆柱形电子注通道，所述电子注通道的截面圆半径为r_c，则：0<d≤2r_c。

优选地，所述矩形栅与所述电子注通道相交的部分沿所述矩形栅的高度方向的长度为d，所述电子注通道为矩形电子注通道，所述电子注通道的截面沿沿所述矩形栅的高度方向的长度为y，则：0<d≤y。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列效果：

本发明提供的新型半周期交错双栅慢波结构，在工艺可实现的前提下提高了半周期交错双栅慢波结构的耦合阻抗，适用于太赫兹器件增益和效率的提高。

附图说明

图1为本发明第一实施例的新型半周期交错双栅慢波结构的立体图；

图2为本发明第二实施例的新型半周期交错双栅慢波结构的立体图；

图3为图1或图2所示新型半周期交错双栅慢波结构的主视图；

图4为图1所示新型半周期交错双栅慢波结构的一个优选实施例的立体图；

图5为图1所示新型半周期交错双栅慢波结构的一个优选实施例的立体图；

图6为图1所示新型半周期交错双栅慢波结构的一个优选实施例的立体图；

图7为图1所示新型半周期交错双栅慢波结构的一个优选实施例的立体图；

图8为图1或图2所示新型半周期交错双栅慢波结构的断面场分布图；

图9为图1或图2所示新型半周期交错双栅慢波结构和传统半周期交错双栅慢波结构的色散特性比较图；

图10为图1或图2所示新型半周期交错双栅慢波结构和传统半周期交错双栅慢波结构的轴线耦合阻抗比较图。

1-矩形波导；2-矩形栅；3-电子注通道。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

本发明提供的新型半周期交错双栅慢波结构可以提高耦合阻抗，下面将详细地描述本发明的新型半周期交错双栅慢波结构及其各个部分。

如图1、图2和图3所示，本发明的新型半周期交错双栅慢波结构包括：矩形栅2：在矩形波导1的两个宽边上呈半周期交错排列；电子注通道3，设置于矩形波导1的中心处，并且沿矩形波导1轴线方向贯穿矩形波导1；其中，矩形栅2与电子注通道3相交。采用这样的结构，保持工作模式的场分布集中在注波互作用空间的区域(参见图8)，此时强场只与部分金属边界接触，因此，本发明的新型半周期交错双栅慢波结构的总体损耗得到了大幅降低，另外增强了矩形栅2的相邻栅间隙中电子注方向的电磁场，促进电磁场和电子注之间的能量交换，从而使电磁场能够得到更有效的放大。本发明的新型半周期交错双栅慢波结构的加工工艺仍处于微加工能力范围内，具有可行性。并且本发明的慢波结构，在太赫兹频域，可以获得大的耦合阻抗，改善了慢波结构为核心的太赫兹真空电子器件性能。

参照图1、图2和图3，本发明的新型半周期交错双栅慢波结构中，矩形波导1的宽边长为a，矩形波导2的窄边长为b，新型半周期交错双栅慢波结构的几何周期为p，矩形栅2的槽宽为w，矩形栅2的槽高为h，电子注通道3的半径为r_c，矩形栅2与电子注通道3相交的部分沿矩形栅2的高度方向的长度为d。

作为优选地，参见图1所示，矩形栅2与电子注通道3相交的部分沿矩形栅2的高度方向的长度为d，电子注通道3为圆柱形电子通道，电子注通道3的截面圆半径为r_c，则：0<d≤2r_c。

另外，参见图2所示，矩形栅2与电子注通道3相交的部分沿矩形栅2的高度方向的长度为d，电子注通道3为矩形电子注通道，电子注通道3的截面沿沿矩形栅2的高度方向的长度为y，则：0<d≤y。

电子注通道3既可以是圆柱形电子注通道3，也可以是矩形电子注通道3。在G波段设定本发明结构的尺寸可以为(单位：mm)：矩形波导1的宽边长a＝0.77，矩形波导1的窄边长b＝0.69，新型半周期交错双栅慢波结构的几何周期p＝0.46，矩形栅2的槽宽w＝0.115，矩形栅2的槽高为h+d，其中h＝0.27，电子注通道3的半径r_c＝0.075，矩形栅2与电子注通道3相交的部分沿矩形栅2的高度方向的长度为d＝0.075。利用三维电磁软件对本发明新型半周期交错双栅慢波结构进行模拟，计算得到色散曲线(参见图9)和轴线耦合阻抗(参见图10)，并与现有技术中相同几何尺寸的半周期交错双栅慢波结构的冷特性参数进行对比，得到模拟结果。

参照图4至图7所示，为本发明新型半周期交错双栅慢波结构的几种变形结构，图中以圆形电子注通道为例，图4给出了d＝r_c/4，图5给出了d＝r_c/2，图6给出了d＝3×r_c/4，d＝r_c时的单周期三维结构示意图。

图9的结果显示，对比现有半周期交错双栅慢波结构，本发明新型半周期交错双栅慢波结构的相光速比变得陡峭，获得更宽的工作带宽。图10的结果显示，对比现有半周期交错双栅慢波结构，本发明新型半周期交错双栅慢波结构耦合阻抗整体明显提高，在频率低端增加幅度比频率高端大，在220GHz频率提高4倍以上，说明以本发明新型慢波结构为核心的微波电真空器件能够实现更高的增益和更大的功率。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

Claims

1.一种新型半周期交错双栅慢波结构，其特征在于，包括：

矩形栅：在矩形波导的两个宽边上呈半周期交错排列；

电子注通道，设置于所述矩形波导的中心处，并且沿所述矩形波导轴线方向贯穿所述矩形波导；

其中，所述矩形栅与所述电子注通道相交。

2.根据权利要求1所述的新型半周期交错双栅慢波结构，其特征在于，所述矩形栅与所述电子注通道相交的部分沿所述矩形栅的高度方向的长度为d，所述电子注通道为圆柱形电子注通道，所述电子注通道的截面圆半径为r_c，则：0<d≤2r_c。

3.根据权利要求1所述的新型半周期交错双栅慢波结构，其特征在于，所述矩形栅与所述电子注通道相交的部分沿所述矩形栅的高度方向的长度为d，所述电子注通道为矩形电子注通道，所述电子注通道的截面沿沿所述矩形栅的高度方向的长度为y，则：0<d≤y。