CN108780724B - 慢波电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于为折叠波导确保宽范围带宽的慢波电路。慢波电路设置有折叠波导和束孔。束孔被布置在折叠波导的宽度方向上的边缘与中心之间。束孔更优选地被布置在折叠波导的宽度方向上的边缘、不突出超过折叠波导的位置处。束孔更优选地被布置在与折叠波导的宽度方向上边缘相隔规定距离的位置处。

Description

慢波电路

技术领域

(相关申请的交叉引用)

本发明要求日本专利申请第2016-047258号(于2016年3月10日提交)的优先权，其内容通过引用整体并入本说明书。本发明涉及一种慢波电路。特别地，本发明涉及一种用于行波管的慢波电路。

背景技术

行波管经常用作用于高频波(微波)的发射源放大器。行波管是用于在使得高频波(微波)沿着与作为放大能量源的电子束相同的方向行进的同时、通过相互作用来放大该高频波(微波)以进行发射的装置。关于在行波管中的放大操作，有必要使高速的高频波转向，以便使电子束和高频波在行进的方向上具有相似水平的速度。即，延迟高频波的慢波电路是必要的。

作为延迟高频波(使高频波转向)的一种方法，例如存在高频波在螺旋波导中传播、并且电子束在波导的中心处穿过的一种方法。使高频波以该方式转向的螺旋波导部分被称为螺旋慢波电路。

同时，目前对于与无线频率有关的高频波存在强烈的需求。具体地，在太赫兹范围内的无线设备的研究和发展正在取得进展。随着从微波到太赫兹波的高频波的进展，由于波长变小(由于波长缩短)，因此“螺旋接线(helical wiring)”的小型化出现在上述螺旋慢波电路中，并且电路的制造变得困难。

因此，在上述高频波段(例如，太赫兹范围)中，微结构实现相对容易的“折叠波导”形式被视为是有前景的，并且研究和发展正在进行。在折叠波导中，高频波(电磁波)通过以曲折线形式弯曲的波导，并且被延迟。行波管(波导)具有设置有束孔的配置，以使得电子束在束孔的中心行进(穿过束孔的中心)。

具体地，折叠波导具有如图8中所示出的结构，其具有如下配置，其中束孔10穿过折叠波导20的中心。应当注意，在非专利文献1中公开了行波管的配置的细节，该行波管设置有折叠波导和后面所描述的阻带。

专利文献1：PCT国际公开的日文译文，公开号2010-519695A

非专利文献1：Khanh T.Nguyen等，“Design Methodology and ExperimentalVerification of Serpentine/Folded-Waveguide TWTs”，IEEE Trans.on E.D.，第61卷，第6期，2014年6月。

发明内容

应当注意，上面提及的引用的技术文献的相应公开内容通过引用的方式并入于此。以下分析是根据本发明人给出的。

关于折叠波导，在结构小型化连同具有用于无线频率的更高频率的波(以曲折线弯曲的波导的尺寸的收缩)中存在进展。然而，就束孔而言，由于规定的电子束必须穿过其中，因此，相对于波导的收缩是困难的，并且束孔相对波导的总体配置的比率增大。随着束孔的比率增加，相速度的频率偏差增加、阻带出现、并且变得难以为行波管确定宽带。

对于图8中示出的配置，图9是示出被归一化到光速c的相速度Vp(Vp/c；Vp是相速度，c是光速)的频率特性的图。图9示出根据束孔的存在/不存在的相速度Vp的频率特性的差异。在以下描述中，简单地使用符号相速度Vp/c指示被归一化到光速c的相速度Vp。

参考图9，应当理解，在没有束孔存在的情况下，相速度Vp/c在300GHz附近的斜率很小，但是在存在束孔的情况下，该斜率变大。此外，应当理解，阻带从330GHz附近出现。即，在图9的示例中，无线频率为300GHz的量级，并且如果束孔关于波导所采取的比率增加，那么该图示出Vp/c-f(f：频率)的斜率增加并且阻带出现。

在行波管中，当高频波(电磁波)的电子束速度和相速度Vp大致相同时，相互作用很强，并且获得高放大增益。换言之，由于电子束速度是常数，当Vp/c-f的斜率很大时，电子束速度和相速度两者大致相同的范围减小，并且在其中获得增益的频带减小。

本发明的目的是提供一种有助于为折叠波导确保宽范围带宽的慢波电路。

根据本发明的方面，提供了一种慢波电路，其具有折叠波导和束孔，束孔被布置在折叠波导的宽度方向上的边缘与中心之间。

根据本发明，提供了一种慢波电路，其有助于为折叠波导确保宽范围带宽。

附图说明

[图1]图1是示出根据第一示例性实施例的慢波电路的边缘的配置示例的立体图。

[图2]图2是示出根据第一示例性实施例的慢波电路的总体配置的示例的立体图。

[图3]图3是示出在慢波电路中相速度Vp/c的改变的示例的图。

[图4]图4是示出针对高频范围的在慢波电路中相速度Vp/c的改变的示例的图。

[图5]图5是示出在束孔从折叠波导的中心被移动到边缘的情况下阻带中的改变的示例的图。

[图6]图6是示出电磁场分布的示例的图。

[图7]图7是示出折叠波导(行波管)的增益计算的结果的示例的图。

[图8]图8是示出折叠波导的结构的示例的立体图。

[图9]图9是示出图8所示的配置中的、被归一化到光速c的相速度Vp的频率特性的图。

具体实施方式

首先，给出了关于示例性实施例的概要的描述。应当注意，为了方便起见，附于该概要的附图中的附图标记被添加到相应的元件，作为以便帮助理解的示例，并且不旨在以任何方式限制本发明。

如图1所示，根据示例性实施例的慢波电路100设置有折叠波导20和束孔，该束孔布置在折叠波导20的宽度方向上的边缘与中心之间。即，具有带有折叠波导20的形式的行波管的根据示例性实施例的慢波电路100设置有束孔10，该束孔10在波导的边缘处、而不是在如图8中所示的波导的中心处形成。

尽管在后面描述细节，但是根据上述配置，关于行波管中的相速度的频率特性而言，可以使得在使用频带内的斜率接近平坦，并且可以减少阻带。根据上述配置，可以实现宽带行波管，或者可以改进频带设计中的自由度以匹配目标。

下面参考附图，给出了关于示例性实施例的更加详细的描述。应当注意，在各示例性实施例中，相同的附图标记附于相同的配置元件中，并且省略了对其的描述。

[第一示例性实施例]

使用附图，给出了关于第一示例性实施例的更加详细的描述。

图1是示出根据第一示例性实施例的慢波电路100的边缘的配置示例的立体图。参照图1，束孔10形成在折叠波导20的宽度方向上的边缘处。关于在折叠波导20的高度方向上的束孔10的布置，束孔10被布置在折叠波导20的中心。

折叠波导20是用于高频波(电磁波)的通道，束孔10是用于电子束的通道。即，在第一示例性实施例中，通过在折叠波导20中被引导的电磁波和在束孔10中被引导的电子束，慢波电路100作为放大电磁波的行波管进行操作。应当注意，在第一示例性实施例中，针对1个周期的管长度2L为6.64mm，并且针对1个周期的长度2P为1.48mm。

重复图1中所示出的结构，以形成根据第一示例性实施例的慢波电路100。

图2是示出根据第一示例性实施例的慢波电路100的总体配置的示例的立体图。在图2中，所提取的虚线区域(曲折线形状中的1个周期)对应于图1。图2中所示出的慢波电路100通过在73个阶段中列出图1中所示出的配置而获得。即，通过在73个阶段中列出在图1中所示出的配置，形成了针对1个折叠波导的行波管(慢波电路)。

应当注意，图1和图2是用于电磁场模拟的输入的图，并且仅表示了空间部分。实际上，图1和图2中所示出的边界周围具有由导体(诸如铜(Cu)等)覆盖的结构。

应当注意，作为制造慢波电路100的一种方法，可以考虑：将图2的形式划分成左右两个带有作为中心的束孔10的形式、并且将它们粘在一起的方法(例如，形成作为分裂芯的虚拟形状、并且在每个虚拟形状上沉积金属膜后将它们粘在一起的方法)；以及一次成型的方法(例如，顺序地层叠外壁金属的方法，或者首先形成作为芯的虚拟形状、沉积金属膜并且随后去除芯虚拟形状的方法)。或者，可以考虑使用片上MEMS(微机电系统)或者3D打印。

图3是示出在慢波电路100中相速度Vp/c的改变的示例的图。图3示出在折叠波导20的宽度方向上移动束孔10(从中心移动到边缘)的情况下的相速度Vp/c中的改变。

在图3中，波形101示出在束孔10被定位在折叠波导20的中心处的情况下的相速度Vp/c。波形102指示在束孔10从折叠波导20的中心略向左侧移动到的情况下的波形，并且波形103指示在束孔10与波形102的情况相比向左侧移动更远的情况下的波形。波形104到波形106指示在波束10被布置在折叠波导20的边缘处的情况下的波形，并且波形和束孔10位置的对应关系在由图3中的虚线所包围的区域中示出。

参照图3，应当理解，随着束孔10到边缘的移动，指示相速度Vp/c的波形的斜率变得更小，并且频率偏差改善。

如可以从波形104等所理解的，如果束孔10被布置为从折叠波导20突出多于一半，那么应当理解，上述频率特性的斜率将再次增加，并且偏差恶化。然而，如果束孔10被布置为从折叠波导20突出，那么高频波(电磁波)和电子束的相互作用不再以正常的方式发生，并且不再获得增益(无法放大的高频波)。因此，束孔10被布置为从折叠波导20突出的结构被排除。

从以上中，束孔10优选地被布置在折叠波导20的宽度方向上的边缘处，并且在使得束孔10不从折叠波导20突出的位置处。通过被布置在上述位置处的束孔10，频率偏差被最小化并且行波管的频段被加宽。然而，由于实际上有必要考虑制造裕度，因而束孔10优选地被布置在离折叠波导20的边缘向里一点(即，在与边缘相隔规定距离的位置处)。

图4是示出针对高频范围的在慢波电路100中相速度Vp/c的改变的示例的图。在图4中，波形201是示出在束孔10被定位在折叠波导20的中心处的情况下的相速度Vp/c的波形，并且形成参照(在图4中，波形201通过虚线图示)。波形202指示在束孔10被定位在折叠波导20的朝向中心的左侧处的情况下的相速度Vp/c。波形203和波形204指示在束孔10被定位在折叠波导20的边缘处的情况下的相速度Vp/c。

应当注意，波形203是在通过缩小波导的宽度来调整截止频率后的波形。用于调整截止频率的原因是为了抑制通过缩小波导的宽度而导致的截止频率中的减小，因为如果束孔10被移动到折叠波导20的边缘则识别出截止频率中的减小。

参照图4，可以理解，如果束孔10被移动到折叠波导20的边缘，那么在300GHz附近的斜率被改善，并且从参考标准(波形201)的330GHz附近出现的阻带也被改善。

比较波形203和波形204，可以理解，即使在截止频率被调整的情况中，也可以预期上述改进的影响。

图5是示出在束孔10从折叠波导20的中心被移动到边缘的情况下阻带中的改变的示例的图。应当注意，阻带改变是通过计算S参数S21来获得的，S21是指示插入损耗的S参数。即，阻带附近的特性的计算可以利用S参数来执行。

在图5中，波形301指示在波束10被定位在折叠波导20的中心处的情况下的S参数S21(插入损耗)。波形302到波形305分别指示在波束10的位置从折叠波导20的中心被移动到左侧的情况下的S参数S21。束孔10的相应波形与束孔10相对于折叠波导20的位置之间的关系如由图5中的虚线所包围的区域所示出的那样。

参照图5，可以理解，在束孔10被定位在与折叠波导20的边缘相比略微更加朝向折叠波导20的中心处的情况下，阻带最小。

图6是示出电磁场分布的示例的图。图6(a)示出在束孔10被布置在折叠波导20的边缘处的情况下的场分布，如在根据第一示例性实施例的慢波电路100中一样。图6(b)示出在束孔10被布置在如图8中所示出的折叠波导20的中心处的情况下的场分布。应当注意，在图6中，颜色密度指示电磁场分布强度。

在这里认为，根据束孔10相对于波导增加的比率，特性Vp/c-f的斜率中的增加或者阻带的出现是由于当高频波(电磁波)在折叠波导(行波管)中行进时在重复出现的束孔10当中的共振。即，如图6(b)中所示，在束孔10被定位在折叠波导20的中心处的情况下，电磁波的发射被转向以避开束孔10。在这种情况下，认为相速度的频率分布出现。在这方面，如图6(a)中所示，当束孔10被放置在折叠波导20的边缘处时，电磁波线性传播并且是平坦的，而没有出现相速度的频率分布。

阻带的出现被认为是由于被(一个或多个)束孔10反射的电磁波以及在束孔10当中发生的共振，并且由于当(一个或多个)束孔10被布置在折叠波导20的边缘处时而使得通过(一个或多个)束孔10的反射减少，因而阻带也减小。

图7是示出针对折叠波导(行波管)的增益计算的结果的示例的图。图7(a)示出在束孔10被布置在折叠波导20的边缘处的情况下的增益，如在根据第一示例性实施例的慢波电路100中一样。图7(b)示出在在束孔10被布置在折叠波导20的中心处的情况下的增益，如在图8中所示的一样。

参照图7中所示的两个图，对于在图8的配置中为10GHz的-3dB带宽而言，在根据第一示例性实施例的配置中，可以广泛地确保大约30GHz的-3dB带宽。通过该方式，在根据第一示例性实施例的慢波电路100(折叠波导、行波管)的频带中可以识别出改善。

应当注意，如在图8中所示的配置中一样，在大的斜率Vp/c-f的情况下，可以说扩大频带在理论上是不可能的。在本申请的公开中，除了将束孔10移动到波导20的边缘并且确保宽带的方法，可以考虑如下方法，其中束孔10被逐渐地朝向边缘移动并且被调整到获得所要求的频带的程度。在参照图1等的第一示例性实施例中，给出了关于束孔10从折叠波导20的中心移动到左侧的情况，但是显然束孔也可以从中心朝向右侧移动。

如上文所描述的，在根据第一示例性实施例的慢波电路100(行波管)中，折叠波导20的束孔10不是在波导的中心处形成、而是在其边缘处形成。结果，关于在行波管中的相速度的频率特性而言的斜率在使用频带中接近平坦，并且可以减少阻带。因而，可以提供具有宽带的行波管。通过束孔10的位置的微调，可以控制行波管的频率特性，并且可以改进频带设计中的自由度以匹配目标。

应当注意，上面描述的引用的专利文献的各种公开内容通过引用的方式并入于此。可以在本发明的全部公开内容(包括权利要求)的范围内并且基于其基本的技术概念，来进行示例性实施例和示例的修改和调整。在本发明的全部公开内容的范围内，各种公开的元件(包括相应权利要求的相应元件、相应示例性实施例和示例的相应元件、相应附图的相应元件等)的各种组合和选择都是可能的。即，本发明显然包括本领域技术人员根据包括权利要求的全部公开内容及其技术概念可以实现的每种类型的转换和修改。特别地，关于本说明书中所描述的数值范围，即使没有对它们的特别描述，相关范围中所包括的任意数值和小的范围也应当被解释为被具体描述。

附图标记列表

10 束孔

20 折叠波导

100 慢波电路

101-106、201-204、301-305 波形

Claims (5)

1.一种慢波电路，包括：

折叠波导，以及

一个束孔，所述束孔被布置在所述折叠波导的宽度方向上的边缘与中心之间，其中

所述慢波电路通过被引导到所述折叠波导的电磁波和被引导到所述束孔的电子束，作为放大所述电磁波的行波管进行操作，

所述折叠波导的所述宽度方向垂直于所述电子束被引导到所述束孔的方向，并且垂直于所述电磁波被引导到所述折叠波导的方向，

在所述折叠波导的所述宽度方向上的所述中心处没有其他束孔，

所述束孔是仅一个，并且

仅所述束孔穿过所述折叠波导。

2.根据权利要求1所述的慢波电路，其中所述束孔被布置在所述折叠波导的所述宽度方向上的边缘、不从所述折叠波导突出的位置处。

3.根据权利要求1或2所述的慢波电路，其中所述束孔处于与所述折叠波导的所述宽度方向上的边缘相隔规定距离的位置处。

4.根据权利要求1或2所述的慢波电路，其中所述慢波电路仅具有一个束孔。

5.根据权利要求3所述的慢波电路，其中所述慢波电路仅具有一个束孔。

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