CN108257836B

CN108257836B - 一种交错子周期折叠波导慢波结构设计方法

Info

Publication number: CN108257836B
Application number: CN201711496677.9A
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: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2037-12-31
Also published as: CN108257836A

Abstract

本发明公开了一种交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，该慢波结构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，周期性结构中的两个直波导段具有不同的互作用距离，该方法包括S1确定具有相等互作用距离的折叠波导慢波结构的几何尺寸，S2将各上栅体相对于下栅体的相对位置沿慢波结构轴向移动预定距离，S3根据所述移动距离计算所得到慢波结构的窄边长，S4仿真计算所得到慢波结构的色散曲线，和S5，重复步骤S2‑S4，在仿真色散曲线的止带宽度满足设计要求时，得到所述交错子周期折叠波导慢波结构。

Description

一种交错子周期折叠波导慢波结构设计方法

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，涉及一种交错子周期折叠波导慢波结构。

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。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。

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-2C。

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，而在540度附近即3π模附近没有出现止带区域，如图3所示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，以期得到在色散曲线中存在3π模止带区域的折叠波导慢波结构，满足微波真空电子器件的应用需求。

本发明提供一种交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，该慢波结构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，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，该方法包括：

S1，确定具有相等互作用距离的折叠波导慢波结构的几何尺寸，

S2，将各上栅体相对于下栅体的相对位置沿慢波结构轴向移动预定距离，

S3，根据所述移动距离计算所得到慢波结构的窄边长，

S4，仿真计算所得到慢波结构的色散曲线，

S5，重复步骤S2-S4，在仿真色散曲线的止带宽度满足设计要求时，得到所述交错子周期折叠波导慢波结构。

优选地，所述折叠波导慢波结构的几何尺寸包括波导的宽边长，波导的窄边长，几何周期，几何子周期，直波导高度和电子注通道半径。

优选地，按照如下公式计算所得到慢波结构的窄边长

其中b1为交错子周期折叠波导慢波结构，b、p分别为具有相等互作用距离的折叠波导慢波结构的窄边长和几何周期，p1和p2为移动预定距离后的第一和第二子周期。

优选地，保持下栅体位置不变，通过将各上栅体沿慢波结构轴向多次移动预定距离，确定交错子周期折叠波导慢波结构。

优选地，保持上栅体位置不变，通过将各下栅体沿慢波结构轴向多次移动预定距离，确定交错子周期折叠波导慢波结构。

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％，或者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，该慢波结构的色散曲线在大体3π模的相位出现止带区域。

根据本发明的交错子周期慢波结构，通过将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，可以得到在色散曲线中产生显著、可控的3π模止带区域的折叠波慢波结构。根据本发明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，获得更高输出功率。

根据本发明的折叠波慢波结构可适用于新型带边振荡器的研制。

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4示出根据本发明的设计方法的流程图；

图5A-5B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6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7A-7B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8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9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10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。

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。本领域技术人员已知根据折叠波导慢波结构的性能参数设计其几何尺寸的方法，为简明起见，这里不再赘述。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设计方法。

根据本发明的交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，慢波结构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，

S1，确定具有相等互作用距离的折叠波导慢波结构的几何尺寸。本领域技术人员已知根据折叠波导慢波结构的各种性能参数设计其几何尺寸的方法，为简明起见，这里不再赘述。设计得到的慢波结构几何尺寸包括波导的宽边长，波导的窄边长，几何周期，几何子周期，直波导高度和电子注通道半径等。

S2，将各上栅体相对于下栅体的相对位置沿慢波结构轴向移动预定距离。

S3，根据所述移动距离计算所得到慢波结构的窄边长，

S4，仿真计算所得到慢波结构的色散曲线，

可以保持下栅体位置不变，通过将各上栅体沿慢波结构轴向例如沿电子注行进方向多次移动预定距离，确定交错子周期折叠波导慢波结构。或者，可以保持上栅体位置不变，通过将各下栅体沿慢波结构轴向多次移动预定距离，确定交错子周期折叠波导慢波结构。

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设计方法和所得到的折叠波导慢波结构。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5A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5B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5A和5B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6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7A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7B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7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8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，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、窄边长和周期等来优化折叠波慢波器件的性能。

下面将以不同子周期U型折叠波导慢波结构为例具体说明根据本发明的慢波结构的优点和特点。

实例1

一种U型弯曲折叠波导慢波结构，如图7A和7B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9和图10所示。

在如图8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9和图10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7A和7B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9所示。

当上栅体向右侧下栅体偏移0.10，D₁＝0.4，D₂＝0.2，D₂/D₁＝0.5，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9，仿真结果与上栅体向左侧下栅体偏移0.10相同。

实例3

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＝0.276，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。

当上栅体向右侧下栅体偏移0.15，D₁＝0.44，D₂＝0.15，D₂/D₁＝0.33，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9，仿真结果与上栅体向左侧下栅体偏移0.15相同。

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9和图10所示。

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模止带，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10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。

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

1.一种交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，该慢波结构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，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，该方法包括：

S1，确定周期性结构中的两个相邻直波导段具有相等互作用距离的折叠波导慢波结构的几何尺寸，

S3，根据所述移动预定距离计算所得到慢波结构的窄边长，

S4，仿真计算所得到慢波结构的色散曲线，

S5，重复步骤S2-S4，在仿真色散曲线的止带宽度满足设计要求时，得到所述交错子周期折叠波导慢波结构，

其中该慢波结构的色散曲线在大体3π模的相位出现止带区域。

2.根据权利要求1所述的交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，其特征在于，所述折叠波导慢波结构的几何尺寸包括波导的宽边长，波导的窄边长，几何周期，几何子周期，直波导高度和电子注通道半径。

3.根据权利要求1所述的交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，其特征在于，按照如下公式计算所得到慢波结构的窄边长

其中b1为交错子周期折叠波导慢波结构的波导窄边长，b、p分别为具有相等互作用距离的折叠波导慢波结构的窄边长和几何周期，p1和p2为移动预定距离后的第一和第二子周期。

4.根据权利要求1所述的交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，其特征在于，

保持下栅体位置不变，通过将各上栅体沿慢波结构轴向多次移动预定距离，确定交错子周期折叠波导慢波结构。

5.根据权利要求1所述的交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，其特征在于，

保持上栅体位置不变，通过将各下栅体沿慢波结构轴向多次移动预定距离，确定交错子周期折叠波导慢波结构。

6.根据权利要求1所述的交错子周期折叠波导慢波结构设计方法，其特征在于，所述交错子周期折叠波导慢波结构中，周期性结构包括沿电子注行进方向排列的第一直波导和相邻的第二直波导，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％，或者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％。