CN107424888A - 行波管的慢波结构 - Google Patents

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    • H01J23/24—Slow-wave structures, e.g. delay systems

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Abstract

本发明提供了一种行波管的慢波结构，包括：依次连接的n段折叠波导单元，所述折叠波导单元包括：依次相连的第一弯曲波导部、第一直波导部、第二弯曲波导部、第二直波导部、第三弯曲波导部，第一弯曲波导部和第三弯曲波导部关于第二弯曲波导部的中轴线对称；第一直波导部和第二直波导部关于第二弯曲波导部的中轴线对称；第一直波导部和第二直波导部的侧面上设置有中心电子注通道开口；第一直波导部和第二直波导部在行波管的H面方向所在的侧面上设置有脊结构。本发明采用在直波导关于行波管的H面方向上设置脊加载结构，从而有效提高折叠波导的耦合阻抗值，而且还能扩展折叠波导的横向尺寸，使得在行波管的散热性能更好，功率容量更大。

Description

行波管的慢波结构
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，具体地，涉及行波管的慢波结构，尤其是太赫兹频段的脊加载的行波管慢波结构。
背景技术
太赫兹波是频率介于微波与红外波段之间的电磁波，其在高速通信、安全检查、医学成像、和电子武器等多方面领域有着独特的优势和应用前景。而在传播高频率、大功率信号方面，真空电子器件有着不可替代的作用。
行波管功率大、频带宽、增益高、效率高和寿命长等特点使它成为众多真空电子器件中应用最广泛的器件。慢波结构是行波管中的核心部分，它的设计直接决定了行波管的性能。折叠波导是一种新型的全金属慢波结构，它在功率、带宽、散热等方面有很大的优势，且它的结构简单，适合与微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)相结合，因此它是目前最具研究前景的太赫兹慢波结构。
慢波结构传统的加工方法有电火花加工和微洗削加工，但由于信号频率的增加，器件尺寸的减小，传统的加工方法难以满足精度要求。随着MEMS技术的发展，紫外光光刻电铸注塑(Ultraviolet LithographieGalanoformungAbformung，UV-LIGA)技术能很好地控制器件表面粗糙度，因此逐渐成为与太赫兹器件相适应的技术。
传统的折叠波导最大的不足在于耦合阻抗较小，这将导致注-波互作用效率不高，在太赫兹波段，折叠波导的这些不足会更加明显。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种行波管的慢波结构。
根据本发明提供的行波管的慢波结构，包括：依次连接的n段折叠波导单元，其中n为大于等于2的整数；所述折叠波导单元包括：依次相连的第一弯曲波导部、第一直波导部、第二弯曲波导部、第二直波导部、第三弯曲波导部，所述第一弯曲波导部和第三弯曲波导部关于第二弯曲波导部的中轴线对称；所述第一直波导部和第二直波导部关于第二弯曲波导部的中轴线对称；所述第一直波导部和第二直波导部的侧面上设置有中心电子注通道开口；所述第一直波导部和第二直波导部在行波管的H面方向所在的侧面上设置有脊结构。
可选地，所述第一弯曲波导部的长度为第二弯曲波导部的长度的一半，所述第三弯曲波导部的长度为第二弯曲波导部的长度的一半。
可选地，所述中心电子注通道开口呈正方形结构。
可选地，所述第一直波导部和第二直波导部的前后两个截面上设置有凹槽。
可选地，所述凹槽的形状包括：矩形、渐变形、梯形中的任一种形状。
可选地，上述应用行波管的慢波结构在太赫兹频段，当应用在0.34THz为中心频段时，假设一个折叠波导单元的周期长为2P，第一直波导部和第二直波导部的长度为h，折叠波导单元的宽边长度为a，折叠波导单元的窄边长度为b，中心电子注通道的正方形边长为w，第一直波导部和第二直波导部的前后两个截面上的矩形凹槽的深度为t，所述凹槽的长度为l；则设置a＝0.54mm、b＝0.08mm、h＝0.18mm、p＝0.14mm、w＝0.12mm、t＝0.08mm、l＝0.03mm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明中，采用在直波导关于行波管的H面方向上设置脊加载结构，从而有效提高折叠波导的耦合阻抗值，而且还能扩展折叠波导的横向尺寸，使得在行波管的散热性能更好，功率容量更大。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一提供的行波管的慢波结构的结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的行波管的慢波结构的尺寸标注结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的行波管的脊加载折叠波导的色散特性曲线示意图；
图4为本发明实施例二提供的行波管的脊加载前后耦合阻抗值的对比示意图；
图5为本发明实施例二提供的行波管的脊加载折叠波导输出信号与输入信号的对比示意图；
图6为本发明实施例二提供的行波管的脊加载折叠波导反射信号与输入信号的对比示意图；
图7为本发明实施例二提供的行波管的脊加载折叠波导功率增益随频率的变化曲线示意图；
图8为本发明实施例二提供的行波管的脊加载折叠波导输出功率随输入功率的变化曲线示意图。
图中：
1-第一弯曲波导部；
2-第一直波导部；
3-第二弯曲波导部；
4-第二直波导部；
5-第三弯曲波导部；
6-中心电子注通道开口；
7-凹槽。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明实施例一提供的行波管的慢波结构的结构示意图，如图1所示，本实施例中的结构可以包括：依次连接的n段折叠波导单元，其中n为大于等于2的整数；所述折叠波导单元包括：依次相连的第一弯曲波导部1、第一直波导部2、第二弯曲波导部3、第二直波导部4、第三弯曲波导部5，所述第一弯曲波导部1和第三弯曲波导部5关于第二弯曲波导部3的中轴线对称；所述第一直波导部2和第二直波导部4关于第二弯曲波导部3的中轴线对称；所述第一直波导部2和第二直波导部4的侧面上设置有中心电子注通道开口6；所述第一直波导部2和第二直波导部4在行波管的H面方向所在的侧面上设置有脊结构。
本实施例中，采用在直波导关于行波管的H面方向上设置脊加载结构，从而有效提高折叠波导的耦合阻抗值，而且还能扩展折叠波导的横向尺寸，使得在行波管的散热性能更好，功率容量更大。
所述第一弯曲波导部1的长度为第二弯曲波导部3的长度的一半，所述第三弯曲波导部5的长度为第二弯曲波导部3的长度的一半。
所述中心电子注通道开口6呈正方形结构。
可选地，所述凹槽7的形状包括：矩形、渐变形、梯形等。
本实施例中，为了适应MEMS技术的加工，中心电子注通道设计为带状柱，其边长为w。采用脊加载的方法来提高耦合阻抗。E面加载会因为高深宽比而导致侧壁表面粗糙度过大，所以采用H面脊加载。假设一个折叠波导单元的周期长为2P，第一直波导部2和第二直波导部4的长度为h，折叠波导单元的宽边长度为a，折叠波导单元的窄边长度为b，中心电子注通道6的正方形边长为w，第一直波导部2和第二直波导部4的前后两个截面上的矩形凹槽的深度为t，所述凹槽的长度为l。如图2所示。
以0.34THz为中心频段为例，本实施例中可以设置a＝0.54mm，b＝0.08mm，h＝0.18mm，p＝0.14mm，w＝0.12mm，l＝0.03mm，t＝0.08mm，n＝80。
利用三维电磁场仿真软件CST，可以计算出折叠波导的色散特性曲线和耦合阻抗值。其中脊加载折叠波导的色散特性曲线如图3所示，脊加载前后耦合阻抗的变化如图4所示。
图3中的散曲线显示该折叠波导在340GHz中心频率附近，相速度随频率的变化而变化缓慢，即能保证其有良好的带宽。
从图4可以看出加载前后的耦合阻抗值的对比曲线，可以看出脊加载结构的确能显著提高折叠波导的耦合阻抗。在冷参数仿真的基础上进行注-波互作用仿真。
根据折叠波导在中心频率的想速度，计算出电子枪同步发射电压。在本实施例中，电子枪发射电压U＝12.9KV，发射电流为I＝20mA。永磁聚焦结构的磁场设为0.36T，根据340GHz电磁波的趋肤深度和MEMS工艺的表面粗糙度，将材料电导率设为2*10E7s/m。仿真得到脊加载折叠波导的输出信号与输入信号的对比图如图5所示，反射信号与输入信号的对比图如图6所示。
从图5可以看出，输出信号的幅度明显大于输入信号，证明脊加载折叠波导对340GHz的电磁波信号的确有放大作用。图6的反射信号幅度仅稍大于输入信号，远小于输出信号，说明该结构的反射现象不明显，无需再添加衰减器等措施。
再对输入信号的频率和功率进行扫描，得到该结构的带宽和饱和功率如图7、图8所示。
如图7所示的脊加载折叠波导的最大增益达到29.5dB，3dB的带宽从331GHz—346GHz，共有15GHz。如图8所示的脊加载折叠波导的最大输出功率大于18W，且在10W以内，其可以使功率线性增大，这样就可以保证行波管稳定的性能。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种行波管的慢波结构，其特征在于，包括：依次连接的n段折叠波导单元，其中n为大于等于2的整数；所述折叠波导单元包括：依次相连的第一弯曲波导部(1)、第一直波导部(2)、第二弯曲波导部(3)、第二直波导部(4)、第三弯曲波导部(5)，所述第一弯曲波导部(1)和第三弯曲波导部(5)关于第二弯曲波导部(3)的中轴线对称；所述第一直波导部(2)和第二直波导部(4)关于第二弯曲波导部(3)的中轴线对称；所述第一直波导部(2)和第二直波导部(4)的侧面上设置有中心电子注通道开口(6)；所述第一直波导部(2)和第二直波导部(4)在行波管的H面方向所在的侧面上设置有脊结构。
2.根据权利要求1所述的行波管的慢波结构，其特征在于，所述第一弯曲波导部(1)的长度为第二弯曲波导部(3)的长度的一半，所述第三弯曲波导部(5)的长度为第二弯曲波导部(3)的长度的一半。
3.根据权利要求1所述的行波管的慢波结构，其特征在于，所述中心电子注通道开口(6)呈正方形结构。
4.根据权利要求1所述的行波管的慢波结构，其特征在于，所述第一直波导部(2)和第二直波导部(4)的前后两个截面上设置有凹槽(7)。
5.根据权利要求4所述的行波管的慢波结构，其特征在于，所述凹槽(7)的形状包括：矩形、渐变形、梯形中的任一种形状。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的行波管的慢波结构，其特征在于，应用在太赫兹频段，当应用在0.34THz为中心频段时，假设一个折叠波导单元的周期长为2P，第一直波导部(2)和第二直波导部(4)的长度为h，折叠波导单元的宽边长度为a，折叠波导单元的窄边长度为b，中心电子注通道(6)的正方形边长为w，第一直波导部(2)和第二直波导部(4)的前后两个截面上的矩形凹槽的深度为t，所述凹槽的长度为l；则设置a＝0.54mm、b＝0.08mm、h＝0.18mm、p＝0.14mm、w＝0.12mm、t＝0.08mm、l＝0.03mm。
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