CN108091533B

CN108091533B - 一种双频振荡器

Info

Publication number: CN108091533B
Application number: CN201711496522.5A
Authority: CN
Inventors: 蔡军; 王东宇; 冯进军
Original assignee: No12 Research Institute Of Cetc
Current assignee: No12 Research Institute Of Cetc
Priority date: 2017-12-31
Filing date: 2017-12-31
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2037-12-31
Also published as: CN108091533A

Abstract

本发明公开了一种双频振荡器，该振荡器包括电子枪、慢波结构、输能系统和收集极，其特征在于，所述慢波结构为折叠波导慢波结构，其包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及由各上栅体和下栅体限定的包括直波导段和波导连接段的多个周期性结构的折叠波导，其中，周期性结构中的两个直波导段具有不同的互作用距离。根据本发明的双频振荡器，通过选取不同的工作电压分别实现双频大功率电磁波输出。

Description

一种双频振荡器

技术领域

本发明涉及微波真空电子器件技术领域。更具体地，涉及一种双频振荡器。

背景技术

慢波结构是一种周期结构。根据Floquet定理，电场可以表示为一系列空间谐波和的形式。大多数空间谐波具有变慢的相速度，相速度与频率的关系称为色散关系，当电磁波某一次空间谐波与电子注满足同步条件时，电子注和电磁场之间会发生互作用，通过能量交换放大电磁波。

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。慢波结构的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，其属于微波真空电子器件的核心部分。具有不同的色散曲线的慢波结构具有不同的性能，能够开发出不同类型的真空电子器件，这些器件由于色散所具有的电磁特性而具有不同的性能，满足不同的应用需求。

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和图2所示，折叠波导慢波结构是将矩形波导沿电场面弯曲，形成包括连通的直波导段和波导连接段的周期结构，电子注通道可位于折叠波导慢波结构的中轴线上，其中a表示矩形波导的宽边长，b为矩形波导的窄边长，周期性结构的几何周期P包含两个相等的子周期p₁，即包括两个互作用距离相等的子周期，直波导高度为h，电子注通道半径为r_c，根据波导连接方式的不同，可以分为U型弯曲折叠波导，见图 1A-1B，和直角型弯曲折叠波导，见图2A-2B。

除了利用折叠波导慢波结构的常规色散区域进行了行波管和返波振荡器的研制外，为了实现周期结构电磁特性在真空射频器件中的全维度应用，国内外许多研究人员致力于开拓色散的止带边缘新区域，开展新器件的研究及实验验证。然而，现有技术中折叠波导慢波结构的色散曲线中仅在360度附近及720度附近出现止带，如图3所示。几何周期相移720度附近的位置对应4π模式。4π模式具有单不稳定性，即4π止带的上截止点和下截止点类型不同，分别为不稳定模式(与电子发生互作用区域的横向电场大，群速度趋于0) 和稳定模式。代表不稳定模式的上截止点附近的区互作用阻抗很大，目前已经基于4π模式展开了大功率、小型化的止带振荡器的研制，但是代表稳定模式的下截止点由于互作用横向电场太弱，不能被开发利用。

从图3可以看出，现有折叠波导慢波结构在540度附近即3π模附近没有出现止带区域。但是此处电磁特性的鲜明特点，希望通过合理设置器件结构，得到可以双频工作的新型真空电子器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以工作在3π模的双频止带振荡器，本发明的进一步目的在于提供一种双频振荡器，以满足微波真空电子器件的应用需求。

本发明提供一种双频振荡器，该振荡器包括电子枪、慢波结构、聚焦系统、输能系统和收集极，其特征在于，所述慢波结构为折叠波导慢波结构，其包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及由各上栅体和下栅体限定的包括直波导段和波导连接段的多个周期性结构的折叠波导，其特征在于，周期性结构中的两个直波导段具有不同的互作用距离。

优选地，所述波导连接段为直角型波导连接段或U型波导连接段。

优选地，该慢波结构进一步包括位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道。

优选地，周期性结构中沿电子注行进方向排列的第一直波导段和第二直波导段，第一直波导段的互作用距离小于第二直波导段互作用距离。

优选地，第一直波导段互作用距离是第二直波导段互作用距离的 5％-95％。

优选地，周期性结构中沿电子注行进方向排列的第一直波导段和第二直波导段，第一直波导段的互作用距离大于第二直波导段互作用距离。

优选地，第二直波导段互作用距离是第一直波导段互作用距离的 5％-95％。

优选地，该双频振荡器工作3π模相位区域。

本发明进一步提供一种工作在3π模的振荡器，该振荡器包括电子枪、慢波结构、聚焦系统、输出窗和收集极，其特征在于，所述慢波结构为折叠波导慢波结构，其包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及由各上栅体和下栅体限定的包括直波导段和波导连接段的多个周期性结构的折叠波导，周期性结构中的两个直波导段具有不同的互作用距离。

本发明进一步提供一种包括如上所述振荡器的真空辐射源。

根据本发明的振荡器，通过将折叠波导慢波结构中周期性结构中两个直波导段的互作用距离设计为不相等，即包括在一个周期结构中的两个子周期不同，并使互作用距离不相等的几何子周期交错排列，可以得到3π模止带上/ 下截止频率的双不稳定模式特性的慢波结构，并由此得到在输出信号中产生双频振荡的双频振荡器。根据本发明的振荡器的慢波结构的轴线耦合阻抗明显增大，可发生强注波互作用，振荡器可以获得更高输出功率。

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1A-1B示出现有技术直角型折叠波导慢波结构的几何示意图；

图2A-2C示出现有技术U型折叠波导慢波结构的几何示意图；

图3示出现有的折叠波导慢波结构的色散特性曲线；

图4A-4B示出本发明实施例1中直角弯曲折叠波导慢波结构的几何示意图；

图5示出本发明实施例1的变型的直角弯曲折叠波导慢波结构的几何示意图；

图6A-6B示出本发明实施例2中U型弯曲折叠波导慢波结构的几何示意图；

图7示出本发明实施例2的变型的U型弯曲折叠波导慢波结构的几何示意图；

图8示出本发明实例1-3中交错子周期折叠波导慢波结构和对比例1中折叠波导慢波结构的色散特性曲线；

图9示出本发明实施例1中交错子周期折叠波导慢波结构和对比例1中折叠波导慢波结构的耦合阻抗比较。

图10示出根据本发明实施例3的振荡器的结构示意图；

图11A-11B示出根据实施例3和对比例2的振荡器工作电压与输出功率的关系曲线；

图12A-12B示出根据实施例3和对比文件2的振荡器工作电压与振荡频率的关系曲线。

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和图2示出现有技术弯曲折叠波导慢波结构的几何示意图，其中图 1A和图1B分别为直角型弯曲折叠慢波结构分别在垂直于慢波结构轴线方向的几何示意图和平行于慢波结构轴线方向的单周期几何示意图；图2A为U 型折叠波导慢波结构的立体图，图2B为折叠波导慢波结构在垂直于慢波结构轴线方向即垂直于电子注行进方向的几何示意图，图2C分别为折叠波导慢波结构在平行于慢波结构轴线方向即平行于电子注行进方向的单周期几何示意图。如图所示，栅体形状相同的上栅体11和下栅体12交错排列，限定了包括连通的直波导段和波导连接段的多个周期性结构的折叠波导。每一上栅体 11位于相邻两个下栅体之间的中心位置，距离相邻两个下栅体的距离相等。同样，每一下栅体12位于相邻两个上栅体11之间的中心位置，距相邻两个上栅体的距离相等。上下栅体的这种排列方式限定的相邻直波导段的互作用距离相等。图1和图2中，a表示矩形波导的宽边长，b为矩形波导的窄边长， h为直波导段高度，r_c为电子注通道半径。相邻两个上栅体的中心线或相邻两个下栅体的中心线限定的几何周期为p，相邻的上栅体和下栅体中心线限定几何子周期，周期性结构的每个周期p包括两个相等的子周期p1。栅体在垂直于慢波结构轴线的端面具有例如矩形形状，电子注通道形成在矩形形状栅的中心。由图3可以看出，现有技术的折叠波波导慢波结构在周期相移3π模即图中540位置处，不存在止带。

下面将参照附图具体说明根据本发明的交错子周期折叠波导慢波结构，各实施例中，以从左向右的方向为电子注行进方向为例进行说明。

图4A为实施例1的直角型弯曲折叠波导慢波结构在垂直于慢波结构轴线方向的结构示意图，图4B为实施例1折叠波导慢波结构在平行于慢波结构轴线方向的单周期示意图。

图4A和4B所示的慢波结构示出上栅体401和相邻的下栅体402，由上栅体和下栅体共同限定的连通的第一直波导段411和第二直波导段413及其间的弯曲波导段412。图中，a表示波导的宽边长，b表示波导的窄边长，h 为直波导段高度，r_c为电子注通道半径，p为几何周期。不同于现有技术，本发明中，上栅体401偏离于相邻两个下栅体402之间的中心位置，例如相邻下栅体的中心线示出的几何周期p，其间上栅体的中线将该几何周期p分为第一几何子周期p₁和第二几何子周期p₂，p₁不等于p₂，也可称为上栅体沿电子注行进方向偏离其相邻两下栅体之间的中心位置，反之亦然。该实施例中，上栅体更靠近左侧下栅体，p₁小于p₂。第一几何子周期p₁中第一直波导段411 的互作用距离D₁小于第二几何子周期P₂中第二直波导段413的互作用距离 D₂，D₁/D₂的范围为约5％-95％。

图5示出本发明实施例1的一种变型的直角型弯曲折叠波导慢波结构的几何示意图。该实施例中，相邻下栅体的中心线示出的几何周期p中，上栅体的中线位置偏离于相邻两个下栅体之间的中心位置，上栅体的中线将几何周期p分为第一几何子周期p₁和第二几何子周期p₂，上栅体更靠近右侧下栅体，p₁大于p₂。第一几何子周期p₁中由相邻栅体限定的第一直波导段的互作用距离D₁大于第二几何子周期p₂中由相邻栅体限定的第二直波导段的互作用距离D₂，D₂/D₁的范围为约5％-95％。

图6A为实施例2的U型弯曲折叠波导慢波结构在垂直于慢波结构轴线方向的结构示意图，图6B为实施例2折叠波导慢波结构在平行于慢波结构轴线方向的单周期示意图。

图6所示的慢波结构示出上栅体501和相邻的下栅体502，由上栅体和下栅体共同限定的连通的第一直波导段和第二直波导段及其间的弯曲波导段。图中，a表示波导的宽边长，b表示波导的窄边长，h为直波导段高度，电子注通道半径为r_c，p为几何周期。该实施例中，上栅体501偏离于相邻两个下栅体502之间的中心位置，例如相邻下栅体的中心线示出的几何周期p，其间上栅体的中线将该几何周期p分为第一几何子周期p₁和第二几何子周期p₂， p₁不等于p₂，也可称为上栅体沿电子注行进方向偏离其相邻两下栅体之间的中心位置，反之亦然。该实施例中，上栅体更靠近左侧下栅体，p₁小于p₂。第一几何子周期p₁中第一直波导段的互作用距离D₁小于第二几何子周期P₂中第二直波导段的互作用距离D₂，D₁/D₂的范围为约5％-95％。

图7示出本发明实施例2的一种变型的U型弯曲折叠波导慢波结构的几何示意图。该实施例中，相邻下栅体的中心线示出的几何周期p中，上栅体的中线位置偏离于相邻两个下栅体之间的中心位置，上栅体的中线将几何周期p分为第一几何子周期p₁和第二几何子周期p₂，上栅体更靠近右侧下栅体， p₁大于p₂。第一几何子周期p₁中由相邻栅体限定的第一直波导段的互作用距离D₁大于第二几何子周期p₂中由相邻栅体限定的第二直波导段的互作用距离 D₂D₂/D₁的范围为约5％-95％。

根据本发明，如上所述实施例的折叠波慢波结构可用于折叠波导慢波器件。本领域技术人员可根据慢波结构的设计参数，

图10示出根据本发明实施例3的振荡器结构示意图。该振荡器包括电子枪 1、慢波结构2、聚焦系统3、输能系统4和收集极5，其中慢波结构为如上参照附图所描述的根据实施例1和实施例2所述的周期性结构中相邻直波导段具有不同互作用距离的慢波结构。

根据本发明的振荡器可分别工作在慢波结构3π止带上/下截止频率边缘，通过几个周期不连续造成的多点周期性内在反射形成增强振荡的电磁场分布，利用两种不同场分布的不稳定特性确定两个工作频率，再辅以增强振荡的边界条件：慢波结构前端口短路，后端口匹配输出，得到可以输出两个不同频率的振荡器。器件工作时，通过选取不同的工作电压分别实现双频大功率电磁波输出。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、周期个数和互作用距离等来优化振荡器的性能。

根据本发明的优选实施例，进一步提供一种包括如上所述振荡器的真空辐射源。

下面将以不同子周期U型弯曲折叠波导慢波结构为例具体说明根据本发明的振荡器的优点和特点。

实例1

一种U型弯曲折叠波导慢波结构，如图6A和6B所示，工作在短毫米波区域，具体结构尺寸如下(单位：mm)：a＝1.90，b₁＝0.297，p＝1.32，p₁＝0.61， p₂＝0.71，D₁＝0.25，D₂＝0.35，上栅体向左侧下栅体偏移0.05，D₁/D₂＝0.71，h＝0.96， r_c＝0.22。利用例如CST微波工作室的三维电磁软件对本发明的交错子周期折叠波导慢波结构进行模拟，计算得到仿真色散曲线、轴线耦合阻抗图如图8 和图9所示。

在如图7所示的实例中，当上栅体向右侧下栅体偏移0.05，D₁＝0.35， D₂＝0.25，D₂/D₁＝0.71，利用例如CST微波工作室的三维电磁软件对本发明的交错子周期折叠波导慢波结构进行模拟，计算得到仿真色散曲线、轴线耦合阻抗图如图8和图9所示，仿真结果与上栅体向左侧下栅体偏移0.05相同。

实例2

一种U型弯曲折叠波导慢波结构，如图6A和6B所示，工作在短毫米波区域，具体结构尺寸如下(单位：mm)：a＝1.90，b₁＝0.289，p＝1.32，p₁＝0.51， p₂＝0.81，D₁＝0.2，D₂＝0.4，上栅体向左侧下栅体偏移0.1，D₁/D₂＝0.5，h＝0.96， r_c＝0.22。利用例如CST微波工作室的三维电磁软件对本发明的交错子周期折叠波导慢波结构进行模拟，计算得到仿真色散曲线如图8所示。

实例3

一种直角弯曲折叠波导慢波结构，如图6A和6B所示，工作在短毫米波区域，具体结构尺寸如下(单位：mm)：a＝1.90，b₁＝0.276，p＝1.32，p₁＝0.51， p₂＝0.81，D₁＝0.15，D₂＝0.45，上栅体向左侧下栅体偏移0.15，D₁/D₂＝0.33，h＝0.96， r_c＝0.22。利用三维电磁软件对本发明的交错子周期折叠波导慢波结构进行模拟，利用例如CST微波工作室的三维电磁软件对本发明的交错子周期折叠波导慢波结构进行模拟，计算得到仿真色散曲线如图8所示。

对比例1

一种折叠波导慢波结构，结构如图1A和1B所示，工作在短毫米波区域，具体结构尺寸如下(单位：mm)：a＝1.90，b＝0.30，p＝1.32，p₁＝p₂＝0.66， D₁＝D₂＝0.30，h＝0.96，r_c＝0.22。利用三维电磁软件对所述折叠波导慢波结构进行模拟，计算得到色散曲线、轴线耦合阻抗和高频损耗特性模拟结果如图8 和图9所示。

图8的结果显示，对比传统的折叠波导慢波结构，本发明的交错子周期折叠波导慢波结构下截止频率以及第一通带带宽没有发生变化，但在相位540 度附近，可发现其色散曲线产生明显的3π止带，止带宽度可通过改变直波导段的互作用距离进行控制。因此，可依据此特性研发新型带边振荡器。

图9的结果显示，对比传统的折叠波导慢波结构，本发明的交错子周期折叠波导慢波结构的轴线耦合阻抗明显增大，该慢波结构发生强注波互作用，获得更高输出功率。

实例4

一种如图10所示振荡器，包括如实例1所描述的折叠波导慢波结构。利用三维电磁软件CST粒子工作室对该实例的振荡器进行粒子模拟，计算得出输出功率及振荡频率与工作电压的关系，模拟结果如图11A和图12A所示。

对比例2

不同于实例4，对比文件2的振荡器中，采用如对比例1所描述的折叠波导慢波结构。利用三维电磁软件CST粒子工作室对该实例的振荡器进行粒子模拟，计算得出输出功率及振荡频率与工作电压的关系，模拟结果如图11B 和图12B所示。

由图11和12可以看出，本发明的双频振荡器可产生振荡的工作电压范围更大，且输出功率较大。一般振荡器振荡频率集中于单一频率附近，而双频振荡器的振荡频率出现跳变，即频率集中于某两个频率附近。本发明的振荡器，利用交错子周期折叠波导慢波结构，得到在输出信号中产生双频振荡的双频振荡器。器件工作时，通过选取不同的工作电压分别实现双频大功率电磁波输出。

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

1.一种双频振荡器，该振荡器包括电子枪、慢波结构、聚焦系统、输能系统和收集极，其特征在于，所述慢波结构为折叠波导慢波结构，其包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及由各上栅体和下栅体限定的包括直波导段和波导连接段的多个周期性结构的折叠波导，所述慢波结构还包括位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道，其特征在于，每个周期性结构中的两个相邻直波导段具有不同的互作用距离，且所述慢波结构的前端口短路，该双频振荡器工作3π模相位区域。

2.根据权利要求1所述的双频振荡器，其特征在于，所述波导连接段为直角型波导连接段或U型波导连接段。

3.根据权利要求1所述的双频振荡器，其特征在于，每个周期性结构中沿电子注行进方向排列的第一直波导段和与所述第一直波导段相邻的第二直波导段，第一直波导段的互作用距离小于或大于第二直波导段互作用距离。

4.根据权利要求3所述的双频振荡器，其特征在于，第一直波导段互作用距离是第二直波导段互作用距离的5％-95％；或所述第二直波导段互作用距离是第一直波导段互作用距离的5％-95％。

5.根据权利要求1所述的双频振荡器，其特征在于，所述慢波结构后端与所述输能系统匹配。

6.一种真空辐射源，包括如权利要求1所述的双频振荡器。

7.一种工作在3π模的振荡器，该振荡器包括电子枪、慢波结构、聚焦系统、输出窗和收集极，其特征在于，所述慢波结构为折叠波导慢波结构，其包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及由各上栅体和下栅体限定的包括直波导段和波导连接段的多个周期性结构的折叠波导，该慢波结构进一步包括位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道，其特征在于，每个周期性结构中的两个相邻直波导段具有不同的互作用距离。