CN108475605B - 慢波电路和行波管 - Google Patents

Abstract

提供了适合于在处理束孔方面增加精细度并且适合于较高频率的慢波电路和行波管。慢波电路(10)包括曲折波导(1)和穿透曲折波导(1)的束孔(2)，并且束孔(2)在与长方向正交的方向上的横截面成具有比四边形多的边数的多边形。

Description

慢波电路和行波管

技术领域

本发明涉及慢波电路和行波管，并且更具体地，涉及折叠波导型慢波电路以及使用其的行波管的修改和性能改进。

背景技术

随着通信比特率的提高，用于在更高频带(具体是太赫兹波领域)中进行通信等的使用方法已经被开发。在超过毫米波段的频带中，由于半导体器件的输出降低，所以行波管被使用，该行波管是使能较大输出的放大设备。

慢波电路是行波管的重要部件之一。作为行波管的慢波电路，螺旋型慢波电路被主要使用。螺旋型慢波电路允许电子束穿过螺旋型波导的内部，并引起传播通过波导的高频信号与电子束之间的相互作用，从而放大高频信号。更确切地说，螺旋型慢波电路包括生成电子束的电子枪、允许电子束和高频信号彼此相互作用的慢波电路、以及在相互作用结束之后捕获电子束的采集器(例如，在非专利文献1(NPL1)中提供了对行波管的一般描述)。

当输入到行波管的信号的频率变高并且接近太赫兹波段时，由于其波长变短，所以慢波电路的微加工是需要的。然而，在螺旋型慢波电路中，具有三维结构的部件被组装在称为集成极片(IPP)的结构中。螺旋线由电介质的支撑杆支撑和固定，并且还提供了永磁体，使得周期性磁场设备被形成。通过使用诸如IPP之类的复杂结构，难以高精度地组装在高频情况下要被微加工的螺旋线。

因此，在太赫兹波段中，使用折叠波导型慢波电路。这是因为折叠波导型慢波电路适合于通过微机电系统(MEMS)制造技术或光刻技术来制造。通过高频穿过的折叠波导和电子束穿过的束孔的组合来实现折叠波导型慢波电路。

折叠波导型慢波电路的束孔的截面形状理想上为圆形。在用于低频带的折叠波导型慢波电路中，圆形束孔可以在精密机械加工中被容易地制造。通常，慢波电路被分割并进行机械加工和组装，使得折叠波导型慢波电路完成(NPL1)。

随着频率从微波增加到太赫兹波，波长缩短。因此，需要波导的微加工。然而，采用机械加工技术作为用于折叠波导的微加工的制造技术是困难的。就此而言，使用光刻技术等的制造被执行(专利文献1(PTL1))。

作为用于制造折叠波导的代表性精细处理技术，存在使用在MEMS制造中使用的UV光或X射线(同步加速器光)的光刻电铸注塑(LIGA)技术。

在通过使用这种精细处理技术来形成圆形截面束孔的情况下，由于制造掩模的数目为了可靠地再现曲线而增加并且制造工艺复杂，所以存在产量劣化等缺点。因此，在背景技术中，其中束孔的截面形状被设计为四边形的折叠波导型慢波电路被制造(非专利文献2(NPL2))。

[引用列表]

[专利文献]

[PTL1]美国专利No.8,549,740

[非专利文献]

[NPL1]Gilmour:"Principles of Traveling Wave Tubes,"Artech House,Inc.

[NPL2]"Testing of a 0.850THz Vacuum Electronics Power Amplifier,"Proceedings of 14th IEEE International Vacuum Electronics Conference,2013.

发明内容

[技术问题]

然而，上述折叠波导型慢波电路具有以下问题。通常，当电子束传播通过束孔时，电子束具有扩散的趋势，使得束直径由于电子自身中存在的电荷而增加。因此，行波管通过使用永磁体等的周期性磁场设备来生成磁场，从而抑制电子束的扩散。

然而，当折叠波导型慢波电路的束孔的截面形状为四边形时，电场的分布在四边形顶点周围的空间中不均匀，从而影响电子束的会聚。当四边形束孔的横截面积被允许增大并且电子束被允许仅穿过束孔的中心部分附近时，可以减小在束孔的顶点附近的电场的影响。这表示允许电子束穿过的束孔不会随着频率的增加而变小。

另一方面，当频率变高时，由于折叠波导的一部分被允许跟随缩放边并变细，所以束孔与折叠波导相交的尺寸比率增加，并且因此尺寸设计的余量减小。因此，需要高尺寸精度。此外，其中电子束和高频彼此相互作用的频带变窄，从而导致行波管在其中执行放大的频带的狭窄。

本发明的一个目的是提供一种适合于在处理束孔方面增加精细度并且适合于较高频率的慢波电路和行波管。

[问题的解决方案]

为了实现上述目的，根据本发明的慢波电路包括：曲折波导；以及穿透曲折波导的束孔，其中束孔在与其纵向方向正交的方向上的截面形状是与四边形相比具有更多数目的边的多边形。

根据本发明的行波管包括：生成电子束的电子枪；允许电子束和高频信号彼此相互作用的慢波电路；以及在相互作用结束之后捕获电子束的采集器，其中

慢波电路包括曲折波导和穿透曲折波导的束孔，并且其中

束孔在与其纵向方向正交的方向上的截面形状是与四边形相比具有更多数目的边的多边形。

[发明的有益效果]

根据本发明，可以提供适合于较高频率的慢波电路和行波管，同时促进束孔的精细度。

附图说明

图1是用于说明根据本发明的一个实施例的折叠波导型慢波电路的分解透视图。

图2是图1的慢波电路部件的部分a的放大图。

图3A是用于说明本发明的一个实施例的慢波电路部件的配置的分解截面图，并且图3B是用于说明本发明的一个实施例的慢波电路部件的束孔的内角α的截面图。

图4A是沿着线b-b截取的图2的慢波电路部件的截面图，图4B是沿着线c-c截取的图2的慢波电路部件的截面图，并且图4C是沿着线d-d截取的图2的慢波电路部件的截面图。

图5A至图5C是用于说明本发明的实施例的慢波电路部件的束孔的截面形状的修改示例的截面图。

图6是比较性示例的慢波电路部件的截面图。

图7是用于说明根据本发明的一个实施例的使用折叠波导型慢波电路的行波管的概略图。

图8是用于说明根据本发明的一个实施例的使用折叠波导型慢波电路的行波管的内部结构、以及向行波管供应电压的高压电源模块的概略图。

图9是用于解释根据本发明的一个实施例的行波管的折叠波导型慢波电路和周期性永磁体的概略图。

图10是图示束孔的截面形状与慢波电路的性能的比较的曲线图。

图11是图示六边形的形状与慢波电路的性能的比较的曲线图。

图12是图示束孔的截面形状与慢波电路的增益之间的关系的曲线图。

具体实施方式

将参照附图来详细描述本发明的优选示例实施例。

[第一示例实施例]

将描述根据本发明的一个实施例的折叠波导型慢波电路和行波管。图1是用于说明根据本发明一个实施例的折叠波导型慢波电路的分解透视图。图2是图1的慢波电路部件的一部分的放大图。图3A是用于说明本发明的一个实施例的慢波电路部件的配置的分解截面图，并且图3B是用于说明本发明的一个实施例的慢波电路部件的束孔的内角α的截面图。图6是一个可比示例的慢波电路部件的截面图。(配置)

图1图示了折叠波导型慢波电路10的一个示例和其中多个部件被组装以配置折叠波导型慢波电路10的情况。折叠波导1和束孔2在板状慢波电路部件4中形成。两个慢波电路部件4以重叠的方式组装到彼此，使得它们可以充当折叠波导型慢波电路。此外，半圆形部件9被允许将板状慢波电路元件4置于其间，从而总体上构成具有圆柱形形状的折叠波导型慢波电路10。折叠波导型慢波电路10被插入随后将要描述的行波管的周期性永磁体中。

在折叠波导型慢波电路10中，高频信号从输入/输出波导3被引入到折叠波导1中，并且电子束被允许穿过束孔2，使得在传播通过折叠波导1的高频信号与电子束之间发生相互作用。行波管通过相互作用来放大高频信号。

本实施例的折叠波导型慢波电路10是折叠波导型慢波电路，并且包括作为曲折波导的示例的折叠波导1和穿透折叠波导1的束孔2。在本实施例的折叠波导型慢波电路10中，束孔2在与其纵向方向正交的方向上的截面形状是边数比四边形的边数大的多边形。

(有利效果)

通过将束孔2在与其纵向方向正交的方向上的截面形状设计为边数比四边形的边数大的多边形，与其中束孔的截面形状为四边形的情况相比较，可以提高慢波电路的性能。

(更详细的配置)

在下文中，将提供针对多边形的一个具体示例及其布置的详细描述，其中多边形的截面形状具有比四边形的边数大的边数。图2图示了由UV LIGA技术等生成的束孔2的一个示例。如图2所示，折叠波导1作为曲折凹槽形成在慢波电路部件的表面上，并且束孔2被形成为线性凹槽，以便穿透折叠波导1。

如图3B所示，在本实施例的折叠波导型慢波电路10的束孔2中，束孔2在与其纵向方向正交的方向上的截面形状为六边形，作为边数大于四边形的多边形的一个示例。注意，图3B图示了其中折叠波导型慢波电路10由多个分割的板状部件制造的一个示例；然而，当使用LIGA技术时，多个板状部件可以彼此一体形成而不分割。

图3B的折叠波导型慢波电路10包括一对板状慢波电路部件4。如图3B所示，板状慢波电路部件4包括板状慢波电路部件4a和板状慢波电路部件4b。板状慢波电路部件4a形成有充当束孔2的线性凹槽5a和充当折叠波导1的曲折凹槽6a。板状慢波电路部件4b形成有充当束孔2的线性凹槽5b和充当折叠波导1的曲折凹槽6b。在本实施例的折叠波导型慢波电路10中，成对的(慢波电路部件4a的)凹槽5a和(慢波电路部件4b的)凹槽5b彼此重叠，从而构成在与纵向方向正交的方向上具有六边形截面的束孔2。在本实施例的折叠波导型慢波电路10中，成对的(慢波电路部件4a的)凹槽6a和(慢波电路部件4b的)凹槽6b彼此重叠，从而构成具有曲折形状的折叠波导1。

如图3B所示，在本实施例的折叠波导型慢波电路10的束孔2中，六边形被形成以使得对角线的顶点被定位在折叠波导1与束孔2相交的方向上。图4A是图示图2的组装的板状慢波电路部件沿着线b-b的截面的视图，图4B是图示组装的板状慢波电路部件沿着线c-c的截面的视图，以及图4C是图示组装的板状慢波电路部件沿着线d-d的截面的视图。

关于其中束孔2的截面形状是边数大于四边形的边数的多边形的情况，除了图3B中所示的形状和布置之外，其他形状和布置也被考虑。图5A至图5C是用于说明本发明的实施例的慢波电路部件的束孔的截面形状的变型示例的截面图。

图5A图示了其中束孔的截面形状为正六边形的情况。在图5A中，正六边形被形成以使得边被定位在折叠波导1与束孔2a相交的方向上。

图5B和图5C图示了其中束孔的截面形状为八边形(特别是正八边形)的情况。在图5B中，正八边形被形成以使得边被定位在折叠波导1与束孔2b相交的方向上。在图5C中，正八边形被形成以使得对角线的顶点被定位在折叠波导1与束孔2c相交的方向上。

在本发明的实施例中，为了避免在电子束经过束孔的区域中的电场分布不对称，具有线对称性的多边形被选择为比四边形具有更多数目的边的上述多边形。

注意，在其中通过LIGA制造技术等来制造如图3B和图5A所示的两个板状慢波电路部件4的情况下，当六边形如图5A所示的那样被布置以使得对角线的顶点被定位在上和下方向上时，由于慢波电路部件4的凹槽的深度在顶点附近较深，所以与图3B的布置相比，制造变得困难。因此，在其中束孔的截面形状被配置为六边形的情况下，顶点如图3B所示的那样被布置在横向方向上是更有利的。

关于作为束孔2的截面形状并且具有比四边形的边数多的边数的多边形的形状和布置，当采用其中束孔2的截面形状在第一方向上线对称并且在不同于第一方向的第二方向上线对称的多边形的形状和布置时，便于制造。更具体地，就制造难度水平而言，优选采用如下的截面形状和布置，其中截面形状在作为上述第一方向的示例的上和下方向上线对称，并且在作为上述第二方向的示例的右和左方向上线对称。具体地，具有这样的线对称性的束孔2的截面形状是如图3B所示的六边形束孔2，以及如图5B所示的八边形束孔2b。

考虑到制造难度水平和在电子束经过束孔的区域中的电场分布的对称性，图3B所示的六边形的形状和布置是优选的。在边数大于四边形的边数的多边形中，六边形具有最少的边数。当边数少时，由于便于制造，因此可以理解六边形具有优点。

图7是用于说明根据本发明的一个实施例的使用折叠波导型慢波电路的行波管的概略图。图8是用于说明根据本发明的一个实施例的使用折叠波导型慢波电路的行波管的内部结构、以及向行波管供应电压的高压电源模块的概略图。

图7和图8的行波管包括生成电子束的电子枪11、充当前述实施例的慢波电路并允许电子束和高频信号彼此相互作用的慢波电路、以及在相互作用结束之后捕获电子束的采集器。图7的行波管还包括输入/输出单元12和磁场会聚设备，输入/输出单元12输入/输出上述高频信号，磁场会聚设备布置在慢波电路的附近，以抑制传播通过慢波电路的上述电子束的扩散。在输入/输出单元12中，射频(RF)输入被输入，并且RF输出被输出。

作为磁场会聚设备，生成用于抑制传播通过慢波电路的上述电子束的扩散的周期性磁场的永磁体、电磁体、周期性永久磁体等被考虑。作为磁场会聚设备的一个示例，图7和图8的行波管使用周期性永久磁体13，其生成用于抑制传播通过慢波电路的上述电子束的扩散的周期性磁场。如图8所示，行波管通过从高压电源模块15接收其操作所需的电压供应而操作。如图9所示，上述折叠波导型慢波电路10被插入到周期性永磁体13中。其中上述折叠波导型慢波电路10被插入到周期性永磁体13中的整体结构也被称为慢波电路。

图6是本发明的比较性示例的慢波电路部件的截面图。束孔102和折叠波导101以一对慢波电路部件104被形成。在图6中，束孔102的截面形状是四边形。具有四边形截面形状的束孔102容易制造，但对角线方向的长度变长。因此，由于与作为束孔的理想形状的圆形的差距变大，所以束孔的尺寸不必要地增大，从而导致电子束和高频彼此相互作用的频带的狭窄。在使用比较性示例的慢波电路部件的行波管中，具有放大的频带变窄。

[示例]

(示例1)

图10是图示当束孔的截面形状被改变时慢波电路的性能的比较的曲线图。在图10中，线A图示了其中束孔的截面形状为六边形的情况，线B图示了其中束孔的截面形状为八边形的情况，线C图示了其中束孔的截面形状为圆形的情况，以及线D图示了其中束孔的截面形状为四边形的情况。在该曲线图中，水平轴线表示频率(例如，大约300GHz)。竖直轴线表示通过束孔的电子的相速度Vp，并且通过光速c而被无量纲化。在该曲线图中，当平坦部分较宽时，指示在宽频带中电子束与高频之间可能存在相互作用。在圆形(线C)的情况下，可以理解的是，最平坦部分的数目很大，并且可以实现宽带宽的行波管。

在四边形中，可以理解的是，与圆形相比，整体的倾斜度大，并且特别是在280GHz以上与圆形的差距变大。在六边形(线A)和八边形(线B)的情况下，可以理解的是，它们近似于圆形。因此，考虑到图10，当束孔在与其纵向方向正交的方向上的截面形状被采用为具有比四边形的边数大的边数的多边形时，换言之，当与四边形相比边数增加时，可以理解的是，慢波电路的性能得到改善。注意，在图10中，六边形与八边形之间的差异小。当边数少时，由于便于制造，因此可以理解的是与八边形相比六边形具有优点。

(示例2)

图11是图示六边形的形状与慢波电路的性能的比较的曲线图。图11图示了当图3B的束孔2的内角α被改变时相速度Vp的计算结果。类似于图10，在图11中，竖直轴线表示穿过束孔的电子的相速度Vp，并且通过光速c而被无量纲化。图3B的束孔2在与其纵向方向正交的方向上的截面形状为六边形。在具有六边形截面形状的束孔2中，图11图示了当图3B的束孔2的内角α被改变时相速度的计算结果。线A图示了其中内角α为120°并且截面形状为正六边形的情况。线B图示了其中图3B的内角α为160°的情况，线C图示了其中图3B的内角α为140°的情况，并且线D图示了其中图3B的内角α为100°的情况。正六边形与圆形最接近，并且电子束的透射性质预期良好；然而，可以理解的是，在其中内角α为140°的情况下没有大的差异。

(示例3)

图12是图示束孔的截面形状与慢波电路的增益之间的关系的曲线图。线A图示了具有140°的内角α的六边形的情况，线B图示了正六边形的情况，线C图示了八边形的情况，线D图示了圆形的情况，并且线E图示了四边形的情况。当目标增益被设置为20dB时，可以理解的是，圆形在大约290GHz的频率处在大约10GHz的频带宽度中超过20dB。当频率带宽被设置为1时，正八边形的频带宽度为0.7，正六边形的频带宽度为0.6，具有140°的α的六边形的频带宽度为0.6，以及四边形的频带宽度为0.2。当通过LIGA制造技术等来制造束孔时，由于金属通过堆叠在图2的上和下方向上而沉积，所以易于制造具有大内角α并接近四边形的截面形状。如上所述，可以理解的是，采用具有大于120°的内角α的六边形是有利的。换言之，制造具有如下截面形状的束孔是有利的，在该截面形状中由六边形的一个顶点的两个边形成的内角α大于120°。

到目前为止，已经描述了本发明的优选示例实施例和示例；然而，本发明不限于此。例如，只要作为束孔在与其纵向方向正交的方向上的截面形状且具有比四边形的边数多的边数的多边形整体上形成这样的形状就足够。例如，本发明包括如下的多边形，在该多边形中由于制造变化、机械加工精度或时间变化，构成束孔的多边形形状的每个角变钝并且充当光滑表面。各种修改可以在所附权利要求限定的本发明的范围内做出，并且不言而喻的是它们被包括在本发明的范围内。

到目前为止，已经采用作为示例性实例的前述实施例来描述了本发明。然而，本发明不限于上述实施例。也就是说，本发明可以采用可以由本领域技术人员在本发明的范围内理解的各种实施例。

本申请基于2015年12月18日提交的日本专利申请No.2015-247569并要求其优先权，该专利申请的公开通过引用以其整体并入本文。

[附图标记列表]

1 折叠波导

2、2a、2b、2c 束孔

3 输入/输出波导

4、4a、4b 慢波电路部件

5a、5b、6a、6b 凹槽

9 半圆形部件

10 折叠波导型慢波电路

11 电子枪

12 输入/输出单元

13 周期性永磁体

14 采集器

15 高压电源模块

Claims (10)

1.一种慢波电路，包括：

由相对的曲折凹槽构成的折叠结构的曲折波导，所述相对的曲折凹槽形成在相对的部件的平坦表面中；以及

束孔，所述束孔形成在所述相对的部件的相对凹槽之间，并且穿透所述曲折波导，

其中所述束孔在与其纵向方向正交的方向上的截面形状是多边形，所述多边形与四边形相比具有更大数目的边。

2.根据权利要求1所述的慢波电路，其中所述多边形被形成，以使得所述多边形的顶点被定位在所述曲折波导与所述束孔相交的方向上。

3.根据权利要求1所述的慢波电路，其中，在所述多边形中，所述束孔的所述截面形状在第一方向上是线对称的，并且在不同于所述第一方向的第二方向上是线对称的。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的慢波电路，其中由所述多边形的顶点的两个边形成的内角大于120°。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的慢波电路，其中所述多边形包括六边形。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的慢波电路，其中所述多边形是正六边形。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的慢波电路，其中所述多边形是八边形。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的慢波电路，还包括：

磁场会聚设备，所述磁场会聚设备抑制传播通过所述束孔的电子束的扩散。

9.一种行波管，包括：

电子枪，所述电子枪生成电子束；

慢波电路，所述慢波电路包括由相对的曲折凹槽构成的折叠结构的曲折波导、以及束孔，所述相对的曲折凹槽形成在相对的部件的平坦表面中，所述束孔形成在所述相对的部件的相对凹槽之间，并且穿透所述曲折波导，所述慢波电路允许所述电子束和高频信号彼此相互作用；以及

采集器，所述采集器在相互作用结束之后捕获所述电子束，

其中所述束孔在与其纵向方向正交的方向上的截面形状是多边形，所述多边形与四边形相比具有更大数目的边。

10.根据权利要求9所述的行波管，还包括：

磁场会聚设备，所述磁场会聚设备被布置在所述慢波电路的附近，以抑制传播通过所述慢波电路的所述电子束的扩散。

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