CN105513926A - 一种超宽带准开放的慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带准开放的慢波结构，包括两块相同金属平板以及两侧的支撑金属壁或者介质，其中，在上金属平板下侧、下金属平板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为Rw、高度为Rh的一条沿纵向周期性起伏状的带状金属脊，其中起伏的周期长度为p；这样在带状金属脊之间的空间形成带状电子注通道，其高度hb为金属平板距离b与2倍脊高Rh之差。具有天然的带状电子注通道，不需要额外的加工，加工难度低，耦合阻抗较大，十分有利于返波振荡器的起振；低端截止频率很低，具有超宽带特性，高频传输反射小的特点。

Description

一种超宽带准开放的慢波结构
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种超宽带准开放的慢波结构，适合工作在太赫兹波段返波管中。
背景技术
太赫兹(terahertz，简称THz)通常是指频率在0.1～10THz(波长在0.03～3mm)波段的电磁波，位于红外和微波之间。由于其在电磁频谱的特殊位置，太赫兹科学与技术是目前十分重要的一个交叉学科前沿领域。太赫兹波的独特性质，使其在生物、医学、物理、化学、和电子信息等学科基础研究领域以及在材料研究、通讯信息、环境科学、光谱学、国家安全等技术领域具有广阔的实用前景和重要的科学研究价值。同时，太赫兹处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段波段。因此，目前太赫兹频段的研究手段主要是基于电子学和光子学的方法。
真空电子电子器件在实现大功率太赫兹源上有很大的潜力。返波管是目前工作频率最高的传统真空电子器件，并且作为一种发展比较成熟的小型化、低造价的真空电子学太赫兹源，具有十分重要的潜在应用价值，国内外很多学者都在努力研究拓展其应用领域。
作为返波管的核心部件，慢波结构直接决定了返波管的工作性能。在太赫兹频段的返波管中，矩形栅波导、曲折波导为主要研究的慢波结构。随着工作频率的升高，工作波长变短，慢波结构尺寸变小，使得这些结构在太赫兹波段工作时损耗大、反射大，因此探索损耗小、反射小的太赫兹新型慢波结构一直是真空电子器件研究中的重要工作。
正弦波导作为一种全金属的慢波结构，具有易于加工，反射小、损耗小，并且拥有天然的带状电子注通道等特点。然而，由于正弦波导是一种全封闭的金属结构，因此该慢波结构的冷带宽相对较窄。
为改善正弦波导慢波结构的工作带宽，通常采取的方案是通过增大正弦波导慢波结构的宽边，尽可能的降低正弦波导慢波结构的低端截止频率，使其冷带宽得以拓宽。
但是，随着正弦波慢波结构宽边的增大，该种慢波结构的纵向电场分布会变得比较分散，因而导致带状电子注通过区域的平均耦合阻抗很小，使得返波振荡器的起振难度大，互作用效率低；同时，由于宽边的增大，该结构的纵深比变大，导致微细加工难度增大。
因此，寻找性能优良的适合工作在太赫兹波段的宽带宽、低损耗并且易于加工的慢波结构，对于太赫兹返波管的设计和发展尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中正弦波导增大宽边所带来耦合阻抗小和难于加工的不足，提供一种超宽带准开放的慢波结构，在提高太赫兹波段带宽、降低损耗的同时，保持耦合阻抗不降低。
为实现上述发明目的，本发明超宽带准开放的慢波结构，其特征在于，包括：
两块宽边长度为a的相同金属平板，位于上下两侧，其相距距离b，纵向长度为l，其在垂直方向位于同一位置；
两块金属壁或者介质壁作为支撑板，分别位于左右两侧之间，即宽边两端，与金属平板宽边垂直，其高度为b、纵向长度为l；
在上金属平板下侧、下金属平板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为Rw、高度为Rh的一条沿纵向周期性起伏状的带状金属脊，其中带状金属脊周期长度为p，带状金属脊之间的水平带状空间为带状电子注通道，其高度hb为金属平板距离b与2倍脊高Rh之差。
本发明的目的是这样实现的。
本发明超宽带准开放的慢波结构，包括两块相同金属平板以及两侧的支撑金属壁或者介质，其中，在上金属平板下侧、下金属平板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为Rw、高度为Rh的一条沿纵向周期性起伏状的带状金属脊，其中起伏的周期长度为p；这样在带状金属脊之间的空间形成带状电子注通道，其高度hb为金属平板距离b与2倍脊高Rh之差。
本发明超宽带准开放的慢波结构具有以下优点：
(1)、慢波结构的主体十分简单，由两块金属平板构成，具有天然的带状电子注通道，不需要额外的加工，加工难度低；
(2)、慢波结构中的周期性的起伏结构即带状金属脊加载于宽边方向上中心位置，因此在该处的高频电场能量较为集中，耦合阻抗较大，十分有利于返波振荡器的起振；
(3)、慢结构的低端截止频率很低，因此对应的调谐工作电压也比较低；同时，可以使慢波结构的“冷”带宽得到极大的拓宽，即具有超宽带特性；
(4)、由于该结构纵向截面均匀，其均匀性使得慢波结构中的高频场工作模式纯正，高频传输反射小。
附图说明
图1是本发明超宽带准开放的慢波结构一种具体实施方式示意图；
图2是图1所示超宽带准开放的慢波结构横截面示意图；
图3是图1所示超宽带准开放的慢波结构与大宽边正弦波导慢波结构的纵向电场强度分布对比图；
图4是图1所示超宽带准开放的慢波结构与大宽边正弦波导慢波结构的色散曲线对比图；
图5是图1所示超宽带准开放的慢波结构与大宽边正弦波导慢波结构的耦合阻抗曲线对比图；
图6是图1所示超宽带准开放的慢波结构与大宽边正弦波导慢波结构的单位周期损耗对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
在本实施例中，如图1所示，本发明超宽带准开放的慢波结构包括两块宽边长度为a的相同金属平板1，位于上下两侧，其相距距离b，纵向长度为l，其在垂直方向位于同一位置。
同时，在上金属平板下侧、下金属平板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为Rw、高度为Rh的一条沿纵向周期性起伏状的带状金属脊2，带状金属脊2周期长度为p，带状金属脊2之间的水平带状空间为带状电子注通道，其高度hb为金属平板距离b与2倍脊高Rh之差。
在本实施例中，带状金属脊2的尺寸满足关系为0.25a<Rw<0.5a,Rh<0.5b。
在图1中，为了清楚展示本发明超宽带准开放的慢波结构，没有将两侧的支撑板画出来。
图2是图1所示超宽带准开放的慢波结构横截面示意图。
在本实施例中，两块金属壁或者介质壁作为支撑板3，分别位于左右两侧之间，即宽边两端，与金属平板宽边垂直，其高度为b、其纵向长度为l。
在本实施例中，本发明超宽带准开放慢波结构中的金属平板平板宽边长度a为300微米，两金属平板的距离b为185微米，带状金属脊宽Rw为100微米，带状金属脊高度Rh为80微米，带状金属脊起伏周期长度p为60微米，电子注通道的高度hb为25微米。利用三维电磁仿真软件HFSS和CSTMWS得到了该超宽带准开放慢波结构的高频特性，并且与相同尺寸背景技术中的大宽边正弦波导慢波结构(尺寸：宽边长度a为300微米，窄边长度b为185微米，起伏周期长度p为60微米，电子注通道的高度hb为25微米)的做出比较。如图3、图4、图5、图6所示。
图3是图1所示超宽带准开的放慢波结构与大宽边正弦波导慢波结构的纵向电场强度分布对比图。
从图3的比较，可以看出在相同的外部尺寸下，现有技术的大宽边正弦波导慢波结构的纵向电场分布较为发散，而本发明的超宽带准开放慢波结构的纵向电场分布十分集中，并且其纵向电场强度明显更强。这意味着本发明中的超宽带准开放慢波结构在带状电子注通过区域的平均耦合阻抗更大。
图4是图1所示超宽带准开放的慢波结构与大宽边正弦波导慢波结构的色散曲线对比图。
从图4的比较可以看出，在相同的外部尺寸下，本发明超宽带准开放慢波结构低频段截止频率为0.27THz，比现有技术的大宽边正弦波导慢波结构的低频段截止频率0.51THz更低，同时本发明超宽带准开放慢波结构的冷带宽为0.79THz，比大宽边正弦波导慢波结构的冷带宽0.66THz约拓宽20％。
图5是图1所示超宽带准开放的慢波结构与大宽边正弦波导慢波结构的耦合阻抗曲线对比图。
从图5的比较可以看出，在相同的外部尺寸下，本发明超宽带准开放慢波结构的平均耦合阻抗在整个预测的工作频带内(0.6—1THz)明显高于现有技术的大宽边正弦波导慢波结构。这意味着本发明超宽带准开放慢波结构中电磁波与电子注有更高的耦合效率，该超宽带准开放慢波结构返波管应具有更大的输出功率和更高的互作用效率，耦合阻抗得到了保持。
图6是图1所示超宽带准开放的慢波结构与大宽边正弦波导慢波结构的单位周期损耗对比图。
从图6的比较可以看出，本发明超宽带准开放慢波结构单位长度损耗与相同的外部尺寸下的大宽边正弦波导慢波结构在预测工作频段的高频率范围内损耗相当，在低频段甚至具有更低的损耗。
在上述的技术方案中，所述周期性变化的起伏曲线可以为正弦曲线、余弦曲线、三角波形曲线、矩形波形曲线、梯形波形曲线或半圆弧形曲线。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种超宽带准开放的慢波结构，其特征在于，包括：
两块宽边长度为a的相同金属平板，位于上下两侧，其相距距离b，纵向长度为l，其在垂直方向位于同一位置；
两块金属壁或者介质壁作为支撑，分别位于左右两侧之间，即宽边两端，与金属平板宽边垂直，其高度为b、纵向长度为l；
在上金属板下侧、下金属板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为Rw、高度为Rh的一条沿纵向周期性起伏状的金属脊，其中带状金属脊周期长度为p，带状金属脊之间的水平带状空间为带状电子注通道，其高度hb为金属平板距离b与2倍脊高Rh之差。
2.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述的带状金属脊2的尺寸满足关系为0.25a<Rw<0.5a,Rh<0.5b。
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