CN108335959A - 一种角度对数折叠槽波导慢波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种角度对数折叠槽波导慢波结构，涉及电子真空高功率器件领域；其包括两个上下镜像对称的金属盖板，所述金属盖板之间通过钎焊连接，所述金属盖板包括金属腔体、设置在金属腔体上的阴极发射体、刻蚀在金属腔体内的槽波导、刻蚀在槽波导上的角向电磁波通道凹槽以及设置在槽波导两端的端口，上下槽波导之间的空隙形成径向电子注通道，所述槽波导采用实现高频段大幅度降低电压的角度对数槽波导；本发明解决了现有的折叠波导在高频段运行时工作电压过高导致内部失效、器件无法小型化的问题，达到了产生太赫兹波段的大功率电磁波，有效降低电真空器件工作电压，对应设备体积减小实现电真空器件的小型化的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电子真空高功率器件领域，尤其是一种角度对数折叠槽波导慢波结构。
背景技术
电真空器件是一类有着悠久历史的电子器件，从二十世纪初被发明以来，在电子行业的各个领域有着非同凡响的应用；其主要功能是把各种频段的电磁波进行能量放大，因此该类电子器件在雷达、通信、卫星、电子战等领域有着不可替代的影响。真空器件的功率容量、抗干扰、抗辐照等方面有着固有的优势，尤其是在太赫兹频段(0.1-10THz)领域。而这一频段的高功率电磁波在众多领域有着重要的应用，例如生物、化学、物理等基础领域和材料科学研究、医学成像、保密通信、国防安全等技术领域。因此，利用何种器件以何种方式产生大功率太赫兹电磁波就成为一项亟待解决的问题。电真空器件由于其特有的机理，使得在解决这一问题上有着先天的优势，几十年来，发展出了众多结构及其改型，包括螺旋线、耦合腔、折叠波导、交错双栅等核心慢波结构。
在太赫兹领域，目前较为成熟的主要以折叠波导为主，但由于折叠波导是一类强色散器件，波导中的电磁波相速度会随着工作频率的变化而剧烈变化，导致在高频率范围内，电磁波的相速度依然保持一个较高的水平，对应的工作电压也很高，通常在G波段内为20-25千伏左右；工作电压过高，所需的电源设备体积很大，制约着电真空器件的小型化、轻便化的使用要求；工作电压过高，容易发生器件内部打火、失效等现象；工作电压过高，电子注的速度加快，从而聚焦磁场要求高，导致磁块等设备体积增大，无法实现小型化。因此需要一种波导可以实现在高频段工作且大幅度降低工作电压，实现电真空器件的小型化和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种角度对数折叠槽波导慢波结构，解决了现有的折叠波导在高频段运行时工作电压过高导致内部失效、器件无法小型化的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种角度对数折叠槽波导慢波结构，包括两个上下镜像对称的金属盖板，所述金属盖板之间通过钎焊连接，所述金属盖板包括金属腔体、设置在金属腔体上的阴极发射体、刻蚀在金属腔体内的槽波导、刻蚀在槽波导上的角向电磁波通道凹槽以及设置在槽波导两端的端口，上下槽波导之间的空隙形成径向电子注通道，所述槽波导采用实现高频段大幅度降低电压的角度对数槽波导。
优选地，所述角度对数槽波导为截取的对数螺旋曲折波导中张角为的扇形区域，包括依次交替连接的对数段和过渡段。
优选地，所述对数段包括扇形段曲线和多条曲线，所述扇形段曲线张角为相邻曲线为扇形段曲线的SC倍，SC＝eb×2π，其中，b取值为0.001-0.002；相邻曲线之间的过渡段为标准半圆，所述标准半圆的端点为两条曲线的端点，圆心为两端点的中心，半径为两端点距离的二分之一。
优选地，所述角度对数槽波导的横截面为矩形，其宽度W取值为0.1-0.14mm，深度h取值为0.3-0.8mm，所述径向电子注通道的厚度t取值为0.08-0.12mm，其张角大于槽波导张角
优选地，所述阴极发射体的径向发射面为与槽波导同圆心、张角为的弧面，其位于所述径向电子注通道的最右端，其厚度ty小于所述径向电子注通道的厚度t。
优选地，所述端口包括输入端口和输出端口，输入端口和输出端口垂直延伸到金属腔体，其宽度、深度和槽波导横截面的宽度和深度的取值范围相等。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明通过采用角度对数槽波导实现高频段工作且大幅降低工作电压，将角度对数应用在槽波导结构并拓展到更高的频段即G波段，电磁波顺着角度对数形式的凹槽传播时，其在径向上的传播速度会相应的减小，从而工作电压大幅降低，解决了现有的折叠波导在高频段运行时工作电压过高导致内部失效、器件无法小型化的问题，达到了产生太赫兹波段的大功率电磁波，有效降低电真空器件工作电压，对应设备体积减小实现电真空器件的小型化的效果；
2.本发明的角度对数槽波导中当电磁波顺着角度对数形式的凹槽传播时，角向的传播距离会随着圈数的增加而急剧增大，因此电磁波在角向上的传播会耗费更多的时间，导致了其在径向上的传播速度会相应的减小，从而达到了降低在径向方向即电子注传播方向的传播速度，电子注速度的大小直接决定了工作电压的大小，使用角度对数结构设计的折叠槽波导，可以把工作电压将原有的几十千伏降低至几千伏，避免了内部因过高电压产生的失效等现象，提高电真空器件的可靠性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明角度对数折叠槽波导四分之一角剖面图；
图2是本发明角度对数原理示意图；
图3是本发明角度对数折叠槽波导横截面图；
图4是本发明角度对数折叠槽波导俯视剖面图；
图5是本发明角度对数折叠槽波导S参数传输特性曲线；
图6是本发明角度对数折叠槽波导PIC模拟仿真输入输出信号图；
图7是本发明角度对数折叠槽波导-3dB带宽曲线；
标号说明：1-阴极发射体，2-角向电磁波通道凹槽，3-金属盖板，4-径向电子注通道，5-端口。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1-7对本发明作详细说明。
变量解释：为角度对数槽波导张角，为阴极发射体张角，为径向电子注通道张角；
L1为电磁波输入端口的长度，L2为电磁波输出端口的长度，L3为整个角度对数慢波结构的长度，w为槽波导横截面的宽度，h为槽波导横截面的深度，t为电子注通道的厚度，ty为阴极发射体的厚度。
一种角度对数折叠槽波导慢波结构，包括两个上下镜像对称的金属盖板3，金属盖板3之间通过钎焊连接，金属盖板3包括金属腔体、设置在金属腔体上的阴极发射体1、刻蚀在金属腔体内的槽波导、刻蚀在槽波导上的角向电磁波通道凹槽2以及设置在槽波导两端的端口5，上下槽波导之间的空隙形成径向电子注通道4，槽波导采用实现高频段大幅度降低电压的角度对数槽波导。
角度对数槽波导为截取的对数螺旋曲折波导中张角为的扇形区域，包括依次交替连接的对数段和过渡段。
对数段包括扇形段曲线和多条曲线，扇形段曲线张角为相邻曲线为扇形段曲线的SC倍，SC＝eb×2π，其中，b取值为0.001-0.002；相邻曲线之间的过渡段为标准半圆，标准半圆的端点为两条曲线的端点，圆心为两端点的中心，半径为两端点距离的二分之一。
角度对数槽波导的横截面为矩形，其宽度W取值为0.1-0.14mm，深度h取值为0.3-0.8mm，径向电子注通道4的厚度t取值为0.08-0.12mm，其张角大于槽波导张角
阴极发射体1的径向发射面为与槽波导同圆心、张角为的弧面，其位于径向电子注通道4的最右端，其厚度ty小于径向电子注通道4的厚度t。
端口5包括输入端口和输出端口，输入端口和输出端口垂直延伸到金属腔体，其宽度、深度和槽波导横截面的宽度和深度的取值范围相等。
实施例1
角度对数槽波导的横截面为矩形，其宽度W取值为0.1mm，深度h取值为0.3mm，径向电子注通道4的厚度t取值为0.08mm，其张角大于槽波导张角张角取4°。阴极发射体1的径向发射面为与槽波导同圆心、张角为的弧面，张角其位于径向电子注通道4的最右端，其厚度ty小于径向电子注通道4的厚度t即可。端口5包括输入端口和输出端口，输入端口和输出端口垂直延伸到金属腔体，其宽度、深度和槽波导横截面的宽度和深度的取值范围相等。
工作原理：角度对数槽波导中当电磁波顺着角度对数形式的凹槽传播时，工作电压会降低的原因：角度对数折叠槽波导形成过程理论计算如下：根据数学对数螺旋的定义可知，图形的半径随张角的增大而对数增大，即公式：其中R为半径，初始半径a取值为30-38mm，增长因子b取值为0.001-0.002，张角为4°，根据弧长公式得到扇形段曲线长度；该慢波结构的核心部分由曲线①-⑤及其后面继续按照此规律延伸的曲线。其中，①-②是该曲线的第一段即扇形段曲线，形成过程由公式(1)确定，极角从0度旋转度而得到；过渡段②-③是由点②和点③确定的标准半圆弧，圆心在两点中点，半径为两点之间距离的一半；而线段③-④是由线段①-②沿着半径的方向扩大SC倍而得到，其中SC＝eb×2π，因此其他段曲线可计算得出，因为根据对数螺旋的性质，当半径恰好扩大SC倍时，就相当于曲线多旋转了一圈，多增加了2×π度，因此线段③-④可看作与①-②同属于一个整体的对数螺旋曲线，也即曲线的第二圈，被张角截取下来。曲线④-⑤的形成和②-③一样，都是标准半圆弧。至此，一个单元长度①-⑤就此形成，而后面的图形都是这第一个单元沿半径方向扩大SC倍而得，在本实施例中，该结构总共包含20个周期。然后依据该图案，刻蚀一条宽为w＝0.1mm，深为h＝0.3mm的槽，上下两个金属盖板3之间保持为t＝0.08mm的距离，此为径向电子注通道4；由张角确定的阴极发射体1张角要比慢波结构的张角小，且其的厚度ty＝0.07，同样略小于电子注通道厚度t；电磁波输入端口和输出端口的长度由L1＝1.2和L2＝1.4确定，其宽度、深度和槽波导的宽度和深度相等；电磁波顺着该角度对数形式的波导凹槽传播时，其速度由标准波导中相速度计算公式确定，但当传输路径为角向对数形式的螺旋曲线，在角向的传播距离会随着圈数的增加而急剧增大，电磁波在角向上的传播会耗费更多的时间，导致了其在径向上的传播速度会相应的减小，从而达到了降低在径向方向即电子注传播方向的传播速度，电子注速度的大小直接决定了工作电压的大小，大幅降低了工作电压。
效果分析：整个结构的传输特性如图5所示，192-211GHz频段内反射参量保持在-15dB以下，传输效果可从图5中看出，在193-210GHz频带范围内，S11反射参量小于-15db，说明回波反射信号很小，绝大部分的波已传播；S21代表插入损耗，可看出几乎为0，说明信号无损耗传播；图6反应了信号放大增益图，可看出在输入信号为198GHz时，输入功率为0.5W时，输出功率达到了38.8W，反应了在太赫兹频段内能够有效的放大电磁波信号。如图5-7所示，在PIC仿真过程中设置阴极发射体电子注电压为8080V，当输入频率在198GHz功率为0.5W时，输出功率为38.8W，输出电压为8.08KV，增益为18.8dB；如图7所示，整个器件的-3dB带宽为从197.3GHz到199.2GHz；实现了槽波导与角度对数应用于太赫兹领域，将行波管工作电压几十千伏降到了8.08千伏，在产生太赫兹波段的大功率电磁波的同时保证频率、输出功率和降低工作电压。
实施例2
角度对数槽波导的横截面为矩形，其宽度W取值还可以为0.14mm，深度h取值还可以为0.8mm，径向电子注通道的厚度t取值还可以为0.12mm；本发明解决了现有的折叠波导在高频段运行时工作电压过高导致内部失效、器件无法小型化的问题，达到了产生太赫兹波段的大功率电磁波，有效降低电真空器件工作电压，对应设备体积减小实现电真空器件的小型化的效果。
Claims (6)
1.一种角度对数折叠槽波导慢波结构，包括两个上下镜像对称的金属盖板(3)，所述金属盖板(3)之间通过钎焊连接，所述金属盖板(3)包括金属腔体、设置在金属腔体上的阴极发射体(1)、刻蚀在金属腔体内的槽波导、刻蚀在槽波导上的角向电磁波通道凹槽(2)以及设置在槽波导两端的端口(5)，上下槽波导之间的空隙形成径向电子注通道(4)，其特征在于：所述槽波导采用实现高频段大幅度降低电压的角度对数槽波导。
2.根据权利要求1所述的一种角度对数折叠槽波导慢波结构，其特征在于：所述角度对数槽波导为截取的对数螺旋曲折波导中张角为的扇形区域，包括依次交替连接的对数段和过渡段。
3.根据权利要求2所述的一种角度对数折叠槽波导慢波结构，其特征在于：所述对数段包括扇形段曲线和多条曲线，所述扇形段曲线张角为相邻曲线为扇形段曲线的SC倍，SC＝eb×2π，其中，b取值为0.001-0.002；相邻曲线之间的过渡段为标准半圆，所述标准半圆的端点为两条曲线的端点，圆心为两端点的中心，半径为两端点距离的二分之一。
4.根据权利要求2所述的一种角度对数折叠槽波导慢波结构，其特征在于：所述角度对数槽波导的横截面为矩形，其宽度W取值为0.1-0.14mm，深度h取值为0.3-0.8mm，所述径向电子注通道(4)的厚度t取值为0.08-0.12mm，其张角大于槽波导张角
5.根据权利要求4所述的一种角度对数折叠槽波导慢波结构，其特征在于：所述阴极发射体(1)的径向发射面为与槽波导同圆心、张角为的弧面，其位于所述径向电子注通道(4)的最右端，其厚度ty小于所述径向电子注通道(4)的厚度t。
6.根据权利要求5所述的一种角度对数折叠槽波导慢波结构，其特征在于：所述端口(5)包括输入端口和输出端口，输入端口和输出端口垂直延伸到金属腔体，其宽度、深度和槽波导横截面的宽度和深度的取值范围相等。
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