CN107564786B - 一种折叠波导慢波系统 - Google Patents

Abstract

一种折叠波导慢波系统，包括：矩形波导，包括直波导段和弯波导段，其中所述弯波导段沿电场面周期性折叠，使电磁波沿着曲折路径传输；电子注通道，从所述矩形波导的直波导段中心穿过所述矩形波导，并与沿所述弯波导段传输的电磁波在互作用区发生周期性的相互作用；其中，所述矩形波导的直波导段是开放式结构。本发明的慢波系统是在传统E面弯曲折叠波导慢波电路的基础上改进而成，在保持良好色散特性的同时显著提高了慢波系统的耦合阻抗，改善了普通折叠波导慢波系统中色散特性和耦合阻抗之间的相互制约关系，从而满足了在毫米波行波管中应用时兼顾宽频带和大功率的需求。

Description

一种折叠波导慢波系统

技术领域

本发明涉及微波真空电子器件领域，尤其涉及一种折叠波导慢波系统。

背景技术

慢波系统的特性在很大程度上决定了行波管的性能，尤其是功率与带宽。一直以来，改进和发展新型慢波系统是改善行波管性能的主要方向之一。行波管采用的慢波系统主要有螺旋线型慢波系统、耦合腔型慢波系统和折叠波导慢波系统。在毫米波及亚毫米波段，全金属的折叠波导电路较传统的螺旋线具有大的功率容量；另一方面，较传统的耦合腔慢波电路具有宽频带工作能力，加之结构简单、易于加工，已成为一类极具竞争力的毫米波乃至太赫兹行波管慢波系统。

然而，折叠波导慢波系统的主要缺点在于耦合阻抗较低。由于色散特性和耦合阻抗间的相互制约，使其在宽频带设计时互作用效率较低，而在大功率设计时带宽又较窄。在现有研究中，已经提出了一些改进，例如双脊折叠波导、槽加载折叠波导等，但这些改进都存在对色散特性的严重牺牲，因而在获得宽频带特性方面存在困难。因此，对传统折叠波导电路进行结构改进以同时满足大功率和宽频带的需求颇具挑战性和实际意义。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种保持良好色散特性和耦合阻抗显著提高的折叠波导慢波系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种折叠波导慢波系统，包括：

矩形波导，包括直波导段和弯波导段，其中所述弯波导段沿电场面周期性折叠，使电磁波沿着曲折路径传输；

电子注通道，从所述矩形波导的直波导段中心穿过所述矩形波导，并与沿所述弯波导段传输的电磁波在互作用区发生周期性的相互作用；

其中，所述矩形波导的直波导段是开放式结构。

从上述技术方案可以看出，本发明的慢波系统具有以下有益效果：(1)开放的互作用区可以补偿横向尺寸缩小时对色散特性造成的严重影响；(2)采用脊加载的方法，可使轴向电场更有效地集中在互作用区；(3)脊加载可缩小结构的横向尺寸，从而改善PPM聚焦系统的性能；上述有益效果综合改善了慢波系统中色散特性和耦合阻抗相互制约的关系，满足了在毫米波行波管中应用时兼顾宽频带和大功率的需求。

附图说明

图1A为作为本发明一优选实施例的折叠波导慢波系统的三维结构图；

图1B为图1A所示折叠波导慢波系统的YZ截面图；

图1C为图1A所示折叠波导慢波系统的XY截面图；

图2为本发明的一个直角弯曲结构实施例的示意图；

图3A为本发明的一个小开放互作用区的实施例的示意图；

图3B为本发明的一个大开放互作用区的实施例的示意图；

图3C为本发明的一个孔阵列互作用区的实施例的示意图；

图4为作为本发明一个优选实施例的考虑外加封套时的结构示意图；

图5为本发明的结构与传统结构互作用区纵向电场的比较；

图6A为本发明的结构与传统结构色散特性的对比曲线图；

图6B为本发明的结构与传统结构耦合阻抗的对比曲线图。

【本发明结构参数符号说明】

a-矩形波导宽边尺寸；

b-矩形波导窄边尺寸；

p-慢波结构周期；

h_i-互作用区的高度；

w_i-互作用区的宽度；

w_open-开放区域的宽度；

R-电子注通道半径；

d-矩形脊的长度；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的附图标记。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所熟知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的工作频段，例如Ka波段，仅是为了定量展示本发明的有益效果，并非用来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种折叠波导慢波系统，包括：

矩形波导，包括直波导段和弯波导段，其中弯波导段沿电场面周期性折叠，使电磁波沿着曲折路径传输；

电子注通道，从该矩形波导的直波导段中心穿过该矩形波导，并与沿弯波导段传输的电磁波在互作用区发生周期性的相互作用；

其中，该矩形波导的直波导段是开放式结构。

作为优选，互作用区采用脊加载形式。进一步优选，互作用区采用变形结构形成重入式互作用区域。该变形结构是指，矩形波导的直波导段在互作用区由于伸出脊的存在而使得直波导段的间隙宽度小于弯波导段的间隙宽度。加载的脊可以为矩形脊且高度和宽度与互作用区相一致。

开放式结构可以是完全开放结构或部分开放结构。完全开放结构是指互作用区两侧的直波导段的金属壁被完全移除。在完全开放结构中，开放区域的高度不限于直波导段的高度h，其最大高度可以达到h_open＝h+p+d，即弯曲段波导的金属壁也可以被移除。而部分开放是指在直波导段的电子注通道两侧通过开孔的方式形成的开放区域。开孔大小和数目的限制只取决于加工可实现性，形状可以是矩形、方形或圆形。

此外，该折叠波导慢波系统还包括将整个结构密封起来的金属封套。

该折叠波导慢波系统可以是E面弯曲折叠波导慢波系统，适用于毫米波行波管。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种折叠波导慢波系统。图1A为根据本发明一优选实施例的折叠波导慢波系统的三维结构示意图；图1B为图1A所示折叠波导慢波系统的YZ截面图；图1C为图1A所示折叠波导慢波系统的XY截面图。

请参照图1B和图1C，本实施例折叠波导慢波系统由以下几个部分组成：直波导段10、弯曲波导段20、开放区域30和电子注通道40。其中，直波导段10包括注-波互作用区域11以及位于其内部的加载脊12。开放区域30位于所述直波导段10两侧。弯曲波导段20是一段U型E面弯曲波导，其构成可看作是将一个宽边为a、窄边为b的矩形波导沿电场面(窄边)弯折而成。需要注意的是，弯曲段波导20的另外一种常见形式是直角弯曲结构，如图2所示。这种结构与本实施例中的结构完全等效。电子注通道40沿所述直波导段10的中心穿过整个结构。

请参照图1B，在本实施例的折叠波导慢波系统中电磁波沿着曲折的路径传输，依次交替通过直波导段10和弯曲波导段20，在轴向上形成一个等效的慢波；同时，电子注在电子注通道40内传输，每当行进至注-波互作用区域11内时，与通过的电磁波发生互作用(能量交换)。相对于沿曲折路径传输的电磁波而言，电子注通道40是截止的，因而电磁波不会沿通道传输。

请参照图1B，加载脊12的长度为d，其存在使得注-波互作用区域11内的间隙宽度小于b，形成重入式结构(注-波互作用区域11相对于弯曲波导段20凹陷进去)，使得注-波互作用区域11内的电场更加集中。理论上，d的取值范围在0至b/2之间，但由于过窄的间隙反而会带来耦合阻抗的下降，因此其合理的取值范围应为0＜d＜b/4。需要注意的是，在本实施例中，加载脊12的宽度和高度与注-波互作用区域11相一致。这种结构在实际电路的制作中可以采用整体加工。此时，我们应将其理解成与慢波结构一体的几何造型，而不是独立的金属填充物，其材料也与慢波电路相同，例如铜。

所述加载脊12的材料也可以是其它的耐高温合金，例如钼铜。此时，由于材料不一致，只能将其视为用来对注-波互作用区域11进行加载的独立填充物。

请参照图1C，在本实施例折叠波导慢波系统中，开放区域30的高度与注-波互作用区域11相同，即h_open＝h_i；而在横向宽度上，则有w_open＞(a-w_i)/2，即完全移除了直波导段10的金属壁。然而，开放区域30的尺寸和形状并不以此为限。作为本发明的其它可能实施例，图3A、3B和3C分别给出了另外三种形式的开放区域。

图3A给出了一种开放区域较小时的情形，此时有h_open＜h、w_open＜(a-w_i)/2。相比于图1C所示的开放区域20，图3A所示结构对色散特性的补偿效果较弱，但耦合阻抗较高。

图3B给出了一种开放区域更大时的情形，此时弯曲波导段的金属壁也被移除。因而，图3B所示实施例定义了高度方向上可达到的最大开敝性。

图3C给出了一种孔阵列开放区的情形。除所示的矩形孔外，孔还可以是其它形状，例如圆形，方形等，并且其尺寸、数目和排列方式原则上只受到加工可实现性的限制。

由此可以看出，当采用不同形状和大小的开放区域时，慢波系统的结构也可能有较大的改变。但此时应理解，其目的和原理均与本实施例中所采用的结构相同，因此均应包含在本发明的保护范围之内。

由于真空密封性的要求，整体结构仍将密封在金属封套内，一种实施方式如图4所示。封套的存在意味着开敝区域存在着边界限制，这可能导致实际结构的色散要强于处于自由空间的理想开敝情况。然而，由于脊加载使得电场集中在互作用区的通道附近，且封套半径R_en远大于互作用段的高度(R_en/h＞10)，因而封套对性能的影响可以忽略不计。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明新型折叠波导慢波系统有了清楚的认识。

为了更清楚说明本发明的效果性能，下面以Ka波段的具体设计实例给出本发明结构有益效果的展示。

图5为采用高频电磁软件HFSS模拟得到的纵向电场比较。图中箭头大小代表电场的强弱。可以看出，与传统结构相比，本发明慢波结构的互作用间隙处的电场的确更为集中。

图6A和图6B分别为色散特性(归一化相速表示)和耦合阻抗的比较。在工作点32GHz处耦合阻抗从3.15欧姆提高至6欧姆，提高了90％；在频带30～35GHz上耦合阻抗平均提高了94％；与此同时，两者在工作频带内的色散特性几乎一致，且本发明慢波结构在整个频带范围内更加平坦。

经过试验验证，本发明的基于开放互作用区和脊加载方法的折叠波导慢波系统，可以在几乎不损害色散特性的情况下，有效提高耦合阻抗，从而在宽频带、大功率毫米波/太赫兹行波管领域具有广阔的应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种折叠波导慢波系统，其特征在于，包括：

矩形波导，包括直波导段和弯波导段，其中所述弯波导段沿电场面周期性折叠，使电磁波沿着曲折路径传输；

电子注通道，从所述矩形波导的直波导段中心穿过所述矩形波导，并与沿所述弯波导段传输的电磁波在互作用区发生周期性的相互作用；

其中，所述矩形波导的直波导段是完全开放结构，即互作用区两侧的直波导段的金属壁被完全移除。

2.如权利要求1所述的折叠波导慢波系统，其特征在于，所述互作用区采用脊加载形式。

3.如权利要求2所述的折叠波导慢波系统，其特征在于，所述互作用区采用变形结构形成重入式互作用区域，所述变形结构是指，所述矩形波导的直波导段在所述互作用区由于伸出脊的存在而使得所述直波导段的间隙宽度小于所述弯波导段的间隙宽度。

4.如权利要求2所述的折叠波导慢波系统，其特征在于，所述脊为矩形脊且高度和宽度与所述互作用区相一致。

5.如权利要求1所述的折叠波导慢波系统，其特征在于，所述矩形波导弯波导段的金属壁也被移除。

6.如权利要求1所述的折叠波导慢波系统，其特征在于，所述折叠波导慢波系统还包括将整个所述折叠波导慢波系统密封起来的金属封套。

7.如权利要求1所述的折叠波导慢波系统，其特征在于，所述折叠波导慢波系统是E面弯曲折叠波导慢波系统。

8.如权利要求1所述的折叠波导慢波系统，其特征在于，所述折叠波导慢波系统适用于毫米波行波管。