CN107910238A - 一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统，应用于真空电子技术领域，针对现有的能量传输系统所存在的传输损耗较大的问题，本发明的能量过渡系统包括若干列纵向呈周期p分布的金属柱，且各列金属柱高度沿纵向减小排列，且所述金属柱顶端为曲面，所述曲面与该列金属柱高度变化所形成的曲线在该金属柱位置的部分曲线重合；还包括包裹所有金属柱的波导结构，所述波导结构宽度沿每列金属柱高度减小方向增加，本发明使得能量能够很好的耦合进慢波结构，同时放大的能量较好的输出。

Description

一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，特别涉及一种慢波结构的能量过渡技术。
背景技术
随着太赫兹频谱资源的开发利用，太赫兹技术在超高速空间通信、超高分辨率雷达成像、生物检测、生物医学、国家安全等领域具有重要的应用价值和战略价值，同时太赫兹技术的潜在应用价值得到世界范围的广泛认可。而太赫兹行波管因其频带宽、功率高等特性成为目前使用较多的一类太赫兹辐射源，在行波管中最重要的结构就是其周期性慢波结构，它对行波管的功率、效率与频带等特性有着非常重要的作用。传统的行波管的慢波结构有螺旋线、耦合腔、折叠波导等，随着工作频段上升到太赫兹波段时，慢波结构的几何尺寸大大减小，受当前加工工艺水平的影响，增大了制管的难度；由于电子注通道减小，带来电流的骤减，同时功率大大降低，直接制约了太赫兹应用和推广。
多注集成梳齿型慢波结构作为一种新型太赫兹慢波结构具有全金属，热耗散能力强，易于加工，并且具有多个天然的适用于圆形电子注的通道，在提高电子注数量、电流、降低加工难度的同时扩展了工作带宽，弥补了太赫兹器件耦合阻抗较低的问题。但是，这种慢波结构的能量耦合结构并不成熟。现有技术是采用高度阶梯式渐变的金属柱能够过渡结构进行能量耦合。这种结构目前仅适用于双排金属柱、四排金属柱的梳齿型慢波结构，且面临着传输损耗较大、无法适应一体化集成加工的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决多注集成梳齿型慢波结构的传输问题，克服现有技术中的能量过渡结构应用到更多电子注的慢波结构中存在的反射大和带宽窄的问题，提出一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统；采用金属柱高度沿曲面渐变和波导外壳宽度线性渐变构成，满足当前太赫兹技术对多电子注慢波结构的发展需求，对任意多注集成梳齿型慢波结构有较好的耦合。
本申请采用的技术方案为：一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统，包括若干列纵向呈周期p分布的金属柱，且各列金属柱高度沿纵向线性或非线性减小，且各列金属柱顶端形状与该列金属柱高度的线性或非线性曲线变化一致；还包括包裹所有金属柱的波导结构；所述波导结构高度不变，宽度沿每列金属柱高度减小方向增加。
进一步地，所述每列包括n个金属柱，所述金属柱横向宽度均为w，纵向长度均为s。
更进一步地，每列相邻两个金属柱之间间隔为p-s。
进一步地，相邻两列金属柱之间间隔为t。
进一步地，所述能量过渡系统中各列金属柱中高度最高的金属柱高度小于或等于多注集成梳齿型慢波结构中金属柱的高度；所述各列金属柱中高度最小的金属柱高度大于0。
本发明的有益效果：本发明提出一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统，采用金属柱高度的线性渐变和波导外壳宽度线性渐变结构构成，通过将两个多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统分别连接在慢波结构的两侧，实现将外部信号很好的馈入到慢波结构中，同时将慢波系统中放大的能量信号馈出，使得高频系统在减小传输损耗的同时扩展了工作带宽；本申请的能量过渡系统包括以下优点：
1)相比于现有技术的能量过渡结构采用金属柱高度阶梯式渐变、外壳使用矩形波导，本申请采用金属柱高度的线性渐变和波导外壳宽度线性渐变，可采用一体成型的技术不需要对单独的金属柱柱高进行切削，使得加工更简单，同时满足当前太赫兹技术对多电子注慢波结构的发展需求，对任意多注集成梳齿型慢波结构有较好的耦合；
2)本申请的能量过渡系统与其连接的多注集成梳齿型慢波结构，构成的多个电子注通道，有利于电子注的流通性；
3)本申请通过将该能量过渡系统连接到多注集成梳齿型慢波结构的两端，能够较好地解决慢波结构的传输问题，使得能量能够很好的耦合进慢波结构，同时放大的能量较好的输出。
附图说明
图1为现有技术的能量过渡系统；
其中，图1(a)为现有的能量过渡系统结构示意图；图1(b)为对应的二维剖面图；
图2为本申请的能量过渡系统结构示意图；
图3为本发明提出的能量过渡系统俯视图；
图4为本发明提出的能量过渡系统中金属柱渐变的二维平面示意图；
图5为本发明提出的能量过渡系统与现有技术的能量过渡结构分别加载到多注集成梳齿型慢波结构中整管的传输特性仿真参数对比。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示为现有技术的能量过渡系统示意图和二维剖面图，现有技术的能量过渡结构采用金属柱高度阶梯式渐变、外壳使用矩形波导，仅适用于双排金属柱、四排金属柱的梳齿型慢波结构，且面临着传输损耗较大的问题。
如图2所示为本申请提的适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统的结构示意图，包括若干列纵向呈周期p分布的金属柱，与慢波结构中的金属柱沿纵向方向呈相同的周期p分布；且各列金属柱高度沿纵向减小排列，金属柱的高度从矩形波导中高度为零逐渐过渡到慢波结构中金属柱的高度，即各列金属柱中高度最高的金属柱高度小于或等于多注集成梳齿型慢波结构中金属柱的高度，高度最小的金属柱高度大于0；且所述金属柱顶端为曲面，所述曲面与该列金属柱高度变化所形成的曲线在该金属柱位置的部分曲线重合；还包括包裹所有金属柱的波导结构，所述波导结构宽度沿每列金属柱高度减小方向增加。
本申请中金属柱顶部的形状可以随着纵向金属柱的高度呈线性、非线性等其他曲线类型变化，金属柱的宽度和厚度可以与慢波结构中金属柱的宽度和厚度保持一致，也可以随着慢波结构中金属柱的宽度和厚度大小变化而增大或者减小；本申请中，包裹高度渐变金属柱的波导结构，采用宽度线性渐变的矩形波导结构，也可以采用宽度渐变的梯形波导，也可以呈其他曲线形状。
以下通过包裹高度渐变金属柱的波导结构采用宽度渐变的梯形波导为例，对本申请的技术内容进行详细阐述。
如图3所示为采用梯形波导的俯视图，梯形波导上下侧为大小相同的梯形金属板，梯形波导左右两侧采用大小相同的两块矩形金属板支撑，左右两块矩形金属板分别与上下梯形金属板量测的斜边贴合，构成能量过渡系统的外壳。
上下两块梯形金属板上底宽为a，下底宽为a1，上下底之间的垂直距离为L；左右两块矩形金属板的宽度为b，长度为
如图4所示梯形波导中包裹若干列纵向呈周期p分布的金属柱，与慢波结构中的金属柱沿纵向方向呈相同的周期分布；每列包括10个金属柱，本申请实施例中n取值为10，所述金属柱横向宽度均为w，纵向长度均为s，每列相邻两个金属柱之间间隔为p-s；邻两列金属柱之间间隔为t；每个金属柱的顶端为斜面，倾斜角度为金属柱的高度从矩形波导中高度为h1逐渐过渡到慢波结构中金属柱的高度h。
以工作在220GHz的多注集成梳齿型慢波结构为例，给定具体参数，通过仿真对本申请的能量过渡系统性能进行描述：能量过渡系统中，外壳的宽度由a1(1500微米)线性渐变到a(1000微米)，金属柱的宽度w(60微米)和厚度s(60微米)与多注集成梳齿型慢波结构中的金属柱保持一致，金属柱的高度沿斜率为k的直线从h1(20微米)沿线性渐变为h(168微米)，金属柱的顶部倾斜，其斜率均为k；单个多注集成梳齿型慢波结构的周期为p(280微米)，高度为b(300微米),宽度为a(1000器微米)，金属柱之间的间隙为t(120微米)；利用的三维电磁仿真软件CST的微波工作室(MWS)对上述参数的能量过渡系统进行仿真，计算其传输特性，仿真结果如图5所示，实线为本申请的能量过渡系统传输特性曲线，虚线为现有技术中的能量过渡系统传输特性曲线。在实际的应用中，S参数中的S11小于-10dB通常视作满足设计要求，从图5中可知加载本发明所给出能量过渡系统的慢波系统，在频率(Frequency)为120GHz-290GHz带宽中具有良好的传输特性(S11小于-20dB)，而现有技术的能量过渡系统在150GHz-250GHz的带宽中S11在-10dB附近。从图中可以看出与现有技术的能量过渡系统相比本发明能量过渡系统的传输特性明显较好和工作带宽更宽，因此更适合在多注集成梳齿型慢波结构中使用。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统，其特征在于，包括若干列纵向呈周期p分布的金属柱，且各列金属柱高度沿纵向线性或非线性减小，且各列金属柱顶端形状与该列金属柱高度的线性或非线性曲线变化一致；还包括包裹所有金属柱的波导结构；所述波导结构高度不变，宽度沿每列金属柱高度减小方向增加。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统，其特征在于，所述每列包括n个金属柱，所述金属柱横向宽度均为w，纵向长度均为s。
3.根据权利要求2所述的一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统，其特征在于，每列相邻两个金属柱之间间隔为p-s。
4.根据权利要求1所述的一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统，其特征在于，相邻两列金属柱之间间隔为t。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多注集成梳齿型慢波结构的能量过渡系统，其特征在于，所述能量过渡系统中各列金属柱中高度最高的金属柱高度小于或等于多注集成梳齿型慢波结构中金属柱的高度；所述各列金属柱中高度最小的金属柱高度大于0。
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