CN105513927B - 一种余弦栅加载折叠波导慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种余弦栅加载折叠波导慢波结构。根据本发明的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。根据本发明的慢波结构，余弦轮廓的波峰与电子注通道相对应，使直波导段和波导连接段形成类脊波导状，获得独特的冷特性，大幅降低了电磁波的截止频率，提高了冷带宽，在电子注通道附近的互作用区具有纵向电场最大值，拓展磁场最大值所在波导宽边两端的空间，降低高频损耗。本发明基于先进的三维加工技术实现三维复杂结构，提高了折叠波导慢波结构的冷特性参数，适于短毫米波及太赫兹器件性能的提高。

Description

一种余弦栅加载折叠波导慢波结构

技术领域

本发明属于微波真空电子器件领域，具体涉及到一种余弦栅加载折叠波导慢波结构。

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电磁波的相速度，使之与电子注保持同步，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。

加工技术对慢波结构起着决定性作用，在微波频段，基于机械加工的螺旋线及耦合腔慢波结构是两种最常用的慢波结构。随着频率提高到短毫米波段甚至太赫兹频域，基于MEMS加工技术的平面型慢波结构的探索工作得到了广泛的重视，如折叠波导慢波结构和交错双栅慢波结构。近期，3D打印等更先进的加工技术获得了快速的发展，利用3D打印技术制造慢波结构结构，可以通过复杂设计的三维结构提高慢波结构的性能并简化工艺。近期，美国已经启动了基于先进技术的下一代真空电子学研究计划，开展这方面的研究工作。

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。

随着三维加工技术的发展，利用先进的三维加工技术实现三维复杂结构能力不断提高，使得通过设计具有复杂结构的器件来获得改进的性能成为可能。

发明内容

本发明的目的在于，通过改进设计结构，得到具有优异冷特性的三维慢波结构。

根据本发明的一个方面，提供一种折叠波导慢波结构，其特征在于，

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。

优选地，该折叠波导慢波结构包括一个贯穿各栅的电子注通道，所述余弦轮廓的周期为该栅所对应边的边长，余弦轮廓的波峰与电子注通道的中心相对应。

优选地，该折叠波导慢波结构包括多个贯穿各栅的电子注通道，所述余弦轮廓具有相应多个余弦周期，余弦轮廓的各波峰与相应电子注通道的中心相对应。

优选地，所述余弦轮廓的余弦幅值小于或等于直波导段栅高度的一半。

优选地，余弦轮廓的两端距其中心顶点的距离为余弦幅值的两倍。

优选地，所述电子注通道位于直波导段栅的余弦轮廓内。

根据本发明的另一方面，提供一种折叠波导慢波器件，包括如上所述的折叠波导慢波结构。

本发明的有益效果如下：

利用先进的三维加工技术可以实现根据本发明的具有三维复杂结构的慢波结构及包括慢波结构的慢波器件。将折叠波导慢波结构中垂直于轴线的栅端面设计为具有余弦轮廓，可提高折叠波导慢波结构的冷特性参数，可有效提高短毫米波及太赫兹器件的性能。

根据本发明，将形成直波导段的栅端面实现为余弦轮廓作为波导的边界，其波峰与电子注通道相对应，使直波导段和波导连接段形成类脊波导状，可以获得独特的冷特性，电磁波的截止频率大幅降低，冷带宽得以提高，在电子注通道附近的互作用区具有纵向电场最大值，拓展磁场最大值所在波导宽边两端的空间，降低高频损耗。

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示出现有的直角弯曲折叠波导慢波结构的几何示意图；

图2A-2C为根据本发明第一实施例的折叠波导慢波结构的几何示意图；

图3A-3C为根据本发明第二实施例的折叠波导慢波结构的几何示意图；

图4为根据本发明实例的折叠波导慢波结构和对比例折叠波导慢波结构的色散特性曲线；

图5为根据本发明实例的折叠波导慢波结构和对比例折叠波导慢波结构的轴线耦合阻抗曲线；

图6为根据本发明实例的折叠波导慢波结构的高频损耗。

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。

图1示出现有的直角弯曲折叠波导慢波结构的几何示意图。图1的左侧为折叠慢波结构在垂直于慢波结构轴线方向的结构示意图，右侧为折叠慢波结构在平行于慢波结构轴线方向的示意图。图1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。可以看出，直波导段的栅在垂直于慢波结构轴线的端面具有矩形形状，电子注通道形成在矩形形状栅的中心。

图2A-2C为根据本发明第一实施例的折叠波导慢波结构的几何示意图，慢波结构具有位于折叠波导慢波结构的中轴线上的单电子注通道。图2A和2C分别为根据本实施例的折叠波导慢波结构在垂直于轴线方向端面的示意图，形成在上部和下部的栅均具有余弦轮廓，图2B为根据该实施例的折叠波导慢波结构沿轴线的几何示意图。折叠波导慢波结构包括直波导段A和弯曲波导段B，即波导连接段，直波导段的栅在垂直于慢波结构轴线的端面在波导侧具有余弦轮廓。图2A-2C中，a表示波导的宽边长，b为波导的窄边长，慢波结构沿轴线的几何周期为p，直波导段高度为h，电子注通道半径为r_c，余弦轮廓的余弦幅值为Ac。可以理解，当Ac＝0时，即为图1所示矩形端面折叠波慢波结构。当直波导段高度与余弦幅值之间的关系满足h/2≥Ac>0时，为根据本发明的余弦端面慢波结构。优选地，余弦轮廓两端距其中心顶点的距离为余弦幅值Ac的两倍。当余弦幅值Ac小于直波导段高度h的一半时，可将栅端面看作矩形栅在电子注通道侧形成有余弦轮廓。当余弦幅值Ac等于直波导段高度的一半时，栅端面为完整的单周期余弦轮廓，如图2A和2C所示。基于本实施例的折叠波导结构，余弦轮廓的波峰与电子注通道的中心相对应，使直波导段和波导连接段形成类脊波导状，得到新型的三维结构慢波结构。根据本发明实施例，余弦的周期可以是任意值，该实施例中以波导的宽边长a作为余弦轮廓的余弦周期，换句话说，该实施例中直波导段栅垂直于轴线方向的端面为单周期余弦轮廓。

下面将以余弦周期为波导宽边长a的一半作为第二实施例，来说明根据本发明的多电子注通道慢波结构。

图3A-3C为根据本发明第二实施例的双电子注通道折叠波导慢波结构的几何示意图，慢波结构具有平行于折叠波导慢波结构的中轴线的双电子注通道。图3A和3C分别为根据本发明的折叠波导慢波结构在垂直于轴线方向端面的示意图，图3B为根据该实施例的折叠波导慢波结构沿轴线的几何示意图。折叠波导慢波结构包括直波导段和弯曲波导段，即波导连接段，直波导段的栅在垂直于慢波结构轴线的端面在波导侧具有双周期余弦轮廓。图中，a表示波导的宽边长，b为波导的窄边长，慢波结构沿轴线的几何周期为p，直波导段高度为h，电子注通道半径为r_c。基于本实施例的折叠波导结构，余弦轮廓的两个波峰分别与两个电子注通道的中心相对应，余弦幅值为Ac，该幅值小于等于直波导段高度的一半，h/2。当Ac＝0时，为双电子注矩形端面栅的慢波结构，当满足h/2≥Ac>0时，为根据本发明的双周期余弦端面慢波结构。优选地，余弦轮廓两端距其中心顶点的距离为余弦幅值Ac的两倍。当余弦幅值Ac小于直波导段高度的一半时，可将栅端面看作矩形栅在电子注通道侧形成有余弦轮廓。基于本实施例的折叠波导结构，余弦轮廓的两个波峰与两个电子注通道中心相对应，余弦幅值为Ac等于直波导高度的一半，直波导段和波导连接段形成类脊波导状，得到新型的三维结构慢波结构。余弦的周期可以是任意值，本实施例中以波导的宽边长a的一半作为余弦轮廓的余弦周期，换句话说，本实施例中直波导段栅垂直于轴线方向的端面为双周期余弦轮廓。

如上所述的实施例可相应地应用于具有多电子注通道的折叠波慢波结构。

根据本发明，如上所述各实施例的折叠波慢波结构可用于折叠波导慢波器件。

通过将直波导段和波导连接段的波导设计为类脊状波导，可以获得具有独特的冷特性的慢波结构，电磁波的截止频率大幅降低，提高了冷带宽，在电子注通道附近的互作用区具有纵向电场最大值，由此拓展了磁场最大值所在波导宽边两端的空间，降低了高频损耗。本领域技术人员可根据慢波结构的设计参数，基于本发明的结构，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。

实例

下面参照第一实施例的单电子注余弦栅加载折叠波导慢波结构，具体说明根据本发明的慢波结构的优点和特点。

该实例的慢波结构工作在短毫米波区域，单电子注余弦栅加载折叠波导慢波结构具体结构尺寸如下(单位：mm)：a＝1.9，b＝0.3，p＝1.32，h＝0.96，r_c＝0.22，Ac＝0.33。利用三维电磁软件对本实例的单电子注余弦栅加载折叠波导慢波结构进行模拟，计算得到色散曲线和轴线耦合阻抗模拟结果如图4和图5所示，图6给出了单电子注余弦栅加载折叠波导慢波结构的高频损耗冷特性模拟结果。

对比例

该对比例的单电子注矩形栅加载折叠波导慢波结构具体结构尺寸如下(单位mm)：a＝1.9，b＝0.3，p＝1.32，h＝0.96，r_c＝0.22，Ac＝0。利用三维电磁软件对本发明的单电子注余弦栅加载折叠波导慢波结构进行模拟，计算得到色散曲线和轴线耦合阻抗模拟结果如图4和图5所示。

图4的结果显示，对比常规的矩形栅折叠波导慢波结构，单电子注余弦栅加载折叠波导慢波结构下截止频率从80GHz下降到45GHz，第一通带冷带宽从47GHz大幅提高到76GHz，色散曲线总体也有所降低，较低的色散曲线对应较低的工作电压，在设计中有利于实现器件的低电压和小型化。另外通过对相光速比进行分析，根据本发明的慢波结构的色散为反常色散，对比折叠波导慢波结构更容易实现无带边振荡的设计。

图5的结果进一步显示，对比常规的折叠波导慢波结构，根据本发明的单电子注余弦栅加载折叠波导慢波结构的轴线耦合阻抗与之相当，但工作频段却大大增加。

图6的结果显示，单电子注余弦栅加载折叠波导慢波结构的高频损耗在几十dB/m的水平。由于根据本发明的慢波结构的冷带宽较宽，跨越了V波段和W波段，无法在整体上与传统的折叠波导慢波结构进行对比，但是根据W波段折叠波导慢波结构的高频损耗值，在94GHz附近本发明慢波结构的高频损耗降低一倍以上，说明以本发明慢波结构为核心的微波电真空器件能够实现更大的功率。

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 (6)

1.一种折叠波导慢波结构，其特征在于，

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，余弦轮廓的波峰与电子注通道的中心相对应，且所述电子注通道位于直波导段栅的余弦轮廓内。

2.如权利要求1所述的折叠波导慢波结构，其特征在于，

该折叠波导慢波结构包括一个贯穿各栅的电子注通道，所述余弦轮廓的周期为该栅所对应边的边长，余弦轮廓的波峰与电子注通道的中心相对应。

3.如权利要求1所述的折叠波导慢波结构，其特征在于，

该折叠波导慢波结构包括多个贯穿各栅的电子注通道，所述余弦轮廓具有相应多个余弦周期，余弦轮廓的各波峰与相应电子注通道的中心相对应。

4.如权利要求1所述的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述余弦轮廓的余弦幅值小于或等于直波导段栅高度的一半。

5.如权利要求1所述的折叠波导慢波结构，其特征在于，余弦轮廓的两端距其中心顶点的距离为余弦幅值的两倍。

6.一种折叠波导慢波器件，包括如权利要求1所述的折叠波导慢波结构。