CN105575745A - 一种半周期交错余弦端面栅慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种半周期交错余弦端面栅慢波结构。该慢波结构包括壳体，形成在内腔第一边上的多个第一栅体和形成在内腔与第一边相对的第二边上的多个第二栅体，第一栅体与第二栅体沿慢波结构轴线交错排列，第一栅体和第二栅体之间形成有电子注通道，其特征在于，所述各第一栅体和第二栅体垂直于轴线的端面分别在电子注通道侧具有余弦轮廓。本发明降低了慢波结构的高频损耗，增加了冷带宽，适用于太赫兹器件效率和带宽的提高。

Description

一种半周期交错余弦端面栅慢波结构

技术领域

本发明属于微波真空电子器件领域，具体涉及到一种半周期交错余弦端面栅慢波结构。

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。

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，以美国加州大学戴维斯分校为主的研究人员提出的半周期交错双栅慢波结构是一类重要的慢波结构，如图1和图2所示，矩形波导1内的两个宽边上加载了两排矩形栅2，矩形栅通过半周期交错排列组成周期结构，栅端面间形成电子注通道3，其中a和b表示波导的宽边长和窄边长，栅的周期为p,矩形栅长度与波导宽边长a一致，栅宽和高分别为w和h，其中剖面线所示区域代表金属。这种矩形交错双栅慢波结构与圆形螺旋线慢波结构相比的优点在于固有电子注通道，加工工艺和组装工艺简单，降低了加工复杂度及成本。这种慢波结构的耦合阻抗和冷带宽适中，具有高工作频率和高功率的优点，但存在高频损耗高的特点。在太赫兹频段，低损耗性能十分重要，这是由于高频率意味着高频损耗较大，而且此时表面粗糙度越来越接近趋肤深度，在一定程度上增大了高频损耗。近年来，许多新型半周期交错双栅慢波结构的提出都是针对改变加载栅沿波导轴向剖面的形貌以期进一步改善高频特性的研究。公开号为CN203536356U、名称为“一种T形交错双栅慢波器件”的中国实用新型专利公开了一种将矩形栅体改进为T型栅体的慢波器件，如图3所示，通过“栅帽”两侧凸缘在电场中的尖端效应，对器件的性能进行改进。

发明内容

本发明的一个目的在于，通过优化垂直于波导轴线的栅体端面的轮廓来提供一种具有降低的高频损耗和拓展的带宽的交错双栅慢波结构。

为达到上述目的，本发明提供一种具有半周期交错余弦端面栅体慢波结构的慢波器件。慢波结构具有在矩形波导的两个宽边上加载的半周期交错排列栅体的周期结构，在相对栅体间形成电子注通道。栅体在垂直于波导轴线的端面在电子注通道侧具有单周期余弦轮廓，余弦轮廓顶点距相应宽边的距离为栅体高度，余弦轮廓的幅值小于栅体高度的一半。余弦轮廓两端距离余弦轮廓顶点的距离为余弦幅值的两倍。换句话说，与现有技术的矩形端面栅体相比，根据本发明的方案将矩形栅体改进为在电子注通道侧具有余弦轮廓，或改进为单余弦周期的栅体。本领域技术人员可根据慢波结构的设计参数，选择合理的慢波结构特征尺寸，改变栅体端面余弦轮廓的尺寸特别是栅体高度和余弦幅值，来调整工作模式的电磁场分布，保持电场分布仍集中在注波互作用空间的区域，扩大产生面电流的磁场的分布区域。

具体地，根据本发明的一个方面，提供一种交错双栅慢波结构，包括壳体，形成在内腔第一边上的多个第一栅体和形成在与第一边相对的第二边上的多个第二栅体，第一栅体与第二栅体沿慢波结构轴线交错排列，第一栅体和第二栅体之间形成有电子注通道，所述各第一栅体和第二栅体垂直于轴线的端面分别在电子注通道侧具有余弦轮廓。

优选地，相邻第一栅体之间的中心距和相邻第二栅体之间的中心距分别为一个周期长度。

优选地，相邻第一栅体和第二栅体之间的中心距为半个周期长度。

优选地，所述第一边和第二边为所述壳体矩形内腔边长长的对边。

优选地，所述多个第一栅体和多个第二栅体具有相同的形状和大小。

优选地，所述各第一栅体和第二栅体分别在电子注通道侧具有单周期余弦轮廓。

优选地，所述余弦轮廓的余弦幅值小于等于栅体高度的一半。

优选地，所述余弦轮廓的两端距其中心顶点的距离为余弦幅值的两倍。

根据本发明的另一方面，提供一种交错双栅慢波器件，具有如上所述的慢波结构。

根据本发明的慢波器件，适用于太赫兹频域，具有降低的高频损耗，增加的冷带宽和改善的色散特性。

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示出现有技术的交错双栅慢波器件模型示意图。

图2示出图1所示模型的周期结构剖面图。

图3示出现有技术的T形交错双栅慢波器件模型示意图。

图4示出根据本发明实施例的交错双栅慢波器件示意图。

图5示出图4的交错双栅慢波器件周期结构剖面图。

图6为根据本发明实例与对比例的半周期交错双栅慢波结构色散特性曲线。

图7为根据本发明实例与对比例的半周期交错双栅慢波结构轴线耦合阻抗比较。

图8为根据本发明实例与对比例的半周期交错双栅慢波结构高频损耗比较。

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4和图5示出根据本发明实施例的一种半周期交错余弦端面栅慢波结构，该慢波结构包括矩形壳体，内腔以及等距离设于内腔上宽边和下宽边上的多个余弦端面栅体，上宽边栅体与下宽边栅体之间形成有电子注通道。优选该多个栅体形状和尺寸相同，上下相邻栅体沿慢波结构轴线方向z向错位半个周期，即设于同一宽边上相邻两栅体之间中心距为一个周期的长度。根据本发明的实施例，每一栅体垂直于轴线的端面x向在电子注通道侧具有余弦轮廓。图5中，a表示矩形波导的宽边长，b为波导的窄边长，上宽边栅体和下宽边栅体沿波导轴线交错排列的几何周期为p，栅体宽度为w，栅体高度即余弦轮廓中心顶点距其所在宽边的高度为h，余弦幅值为Ac。优选相邻第一栅体之间的中心距和相邻第二栅体之间的中心距分别为一个周期长度p。优选相邻第一栅体和第二栅体之间的中心距为半个周期长度p/2。当Ac＝0时，为常规半周期交错矩形端面双栅慢波结构，当满足h/2≥Ac>0时，为根据本发明的半周期交错余弦端面双栅慢波结构。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小于栅体高度的一半时，可将栅体看作矩形栅体在电子注通道侧形成有余弦轮廓。当余弦幅值Ac等于栅体高度的一半时，栅体具有单周期余弦轮廓。通过改变栅体端面余弦轮廓的尺寸可调整工作模式的电磁场分布，保持电场分布仍集中在注波互作用空间的区域，扩大产生面电流的磁场的分布区域，获得所需要的性能。

下面以工作在G波段例如170GHz-260GHz的交错双栅慢波器件为例，具体说明根据本发明的慢波结构及其性能。

对比例

一种半周期交错矩形端面栅慢波结构，具体结构尺寸如下，单位为mm：矩形波导宽边长a＝0.68，波导窄边长b＝0.64，几何周期p＝0.4，沿宽边设置的矩形栅体宽w＝0.1，栅体高h＝0.26，余弦振幅Ac为0。利用三维电磁软件对该矩形端面栅慢波结构进行模拟，计算得到色散曲线、轴线耦合阻抗和高频损耗，模拟结果如图6，7和8所示。

实例1

一种根据本发明的半周期交错余弦端面栅慢波结构，具体方案结构尺寸如下，单位为mm：矩形波导宽边长a＝0.68，波导窄边长b＝0.64，几何周期p＝0.4，余弦栅体宽w＝0.1，栅体高h＝0.26，余弦轮廓的振幅Ac为0.005。利用三维电磁软件对该实例的慢波结构进行模拟，计算得到色散曲线、轴线耦合阻抗和高频损耗，模拟结果如图6，7和8所示。

实例2

一种根据本发明的半周期交错余弦端面栅慢波结构，具体方案结构尺寸如下，单位为mm：波导宽边长a＝0.68，波导窄边长b＝0.64，几何周期p＝0.4，余弦栅体宽w＝0.1，栅体高h＝0.26，余弦轮廓的振幅Ac为0.01。利用三维电磁软件对本发明的一种半周期交错余弦端面栅慢波结构进行模拟，计算得到色散曲线、轴线耦合阻抗和高频损耗，模拟结果如图6，7和8所示。

图6色散曲线的模拟结果显示，与矩形端面半周期交错双栅慢波结构相比，根据本发明的半周期交错余弦端面双栅慢波结构基波下截止频率和上截止频率同时下降，下截止频率下降更多，对应冷带宽增加，并且加载余弦轮廓的幅度越强冷带宽越宽。图7中轴线耦合阻抗的模拟结果显示，对比矩形端面半周期交错双栅慢波结构，半周期交错余弦端面双栅慢波结构耦合阻抗整体变化不大，但有降低。由于增益参量与耦合阻抗的三次根号值成正比，因此耦合阻抗的该降低对增益和效率的影响可以忽略不计。图8高频损耗的模拟结果显示，与矩形端面半周期交错双栅慢波结构相比，半周期交错余弦端面栅慢波结构高频损耗整体变化小，图中的高频损耗为铜金属，电导率设置为5.8e7S/m，通过1焦耳能量时慢波结构的归一化损耗功率值，该数值通过品质因数Q和角频率ω求得，并以对比例慢波结构周期相移为360度时的损耗功率值作为1进行归一化处理标准。加载余弦端面栅体会使得高频损耗变小，加载余弦轮廓的幅度越强优化效果越明显。这些结果说明以根据本发明的慢波结构为核心的微波电真空器件能够实现更好的效率和带宽。

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)

1.一种交错双栅慢波结构，包括壳体，形成在内腔第一边上的多个第一栅体和形成在内腔与第一边相对的第二边上的多个第二栅体，第一栅体与第二栅体沿慢波结构轴线交错排列，第一栅体和第二栅体之间形成有电子注通道，

其特征在于，

所述各第一栅体和第二栅体垂直于轴线的端面分别在电子注通道侧具有余弦轮廓。

2.如权利要求1所述的交错双栅慢波结构，其特征在于，相邻第一栅体之间的中心距和相邻第二栅体之间的中心距分别为一个周期长度。

3.如权利要求1所述的交错双栅慢波结构，其特征在于，相邻第一栅体和第二栅体之间的中心距为半个周期长度。

4.如权利要求1所述的交错双栅慢波结构，其特征在于，所述第一边和第二边为所述壳体矩形内腔边长长的对边。

5.如权利要求1所述的交错双栅慢波结构，其特征在于，所述多个第一栅体和多个第二栅体具有相同的形状和大小。

6.如权利要求1所述的交错双栅慢波结构，其特征在于，所述各第一栅体和第二栅体分别在电子注通道侧具有单周期余弦轮廓。

7.如权利要求1所述的交错双栅慢波结构，其特征在于，所述余弦轮廓的余弦幅值小于等于栅体高度的一半。

8.如权利要求1所述的交错双栅慢波结构，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。

9.一种交错双栅慢波器件，包括如权利要求1所述的交错双栅慢波结构。