CN108962706B - 一种介质交错双栅慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种介质交错双栅慢波结构，包括平行配合的上栅和下栅，上栅由上支撑基底和上栅板构成，下栅由下支撑基底和下栅板构成，上栅板周期性排列于上支撑基底下表面，下栅板周期性排列于下支撑基底上表面，上栅板和下栅板相对交错排列，上栅板和下栅板由弱导电或不导电介质材料制作。本发明提出的一种介质交错双栅慢波结构较传统的金属构成的矩形交错双栅慢波结构具有慢波结构电磁损耗小、加工流程简单便捷的优点，为高性能毫米波行波管的加工制造提供了新的思路。

Description

一种介质交错双栅慢波结构
技术领域
本发明属于微波真空电子技术领域，涉及一种行波管放大器件，尤其涉及一种介质交错双栅慢波结构。
背景技术
真空电子器件是一种大功率微波波源，具有大功率、高效率、高增益及宽频带等特点，是很多通讯和医疗设备的核心，它的性能直接决定了装备的整体水平。随着通信、探测、军事国防及健康医疗领域的快速发展，迫切需要高功率，高可靠性和低成本的毫米波波源。目前，较为常见的大功率毫米波真空电子器件有：行波管、返波管、扩展互作用速调管、纳米速调管、回旋管、绕射辐射器件及自由电子激光等。其中，行波管因其无可替代的宽频特性，在雷达、电子对抗及卫星通信等领域广泛应用。
慢波结构是行波管的重要部件，直接决定了行波管的性能。目前，常用的慢波结构有：螺旋线、耦合腔、矩形栅结构、折叠波导和微带曲折线。但在毫米波波段 (30GHz-300GHz)，现有的慢波结构都存在困难与挑战，螺旋线是带宽最宽的慢波结构，但在毫米波波段，其在加工、组装、损耗及散热方面面临很大的挑战；应用耦合腔和矩形栅结构的行波管工作带宽相对较窄；基于折叠波导的行波管带宽较宽，但电子注通道加工难度较大；微带曲折线具有其平面结构易微电子工艺加工的优点，但其功率容量有一定的限制。因此，对可在毫米波波段工作的新型行波管慢波结构的研发越发重要。
矩形交错双栅慢波结构是一种应用在毫米波波段的慢波结构，它是在矩形波导两宽边内壁加载相互交错的金属矩形栅所构成的栅加载矩形波导结构。这种全金属慢波系统具有天然的带状电子注通道，将其作为行波管慢波电路可以有效而稳定地将基模的纵向电场限制在电子注通道内，使场在一个较宽的频带内产生强烈而有效的注波相互作用，从而在宽频带内得到可观的输出功率，具有互作面积大，散热性好，可承受大功率等优点。但矩形交错双栅慢波结构却有着金属损耗高，加工流程较为困难复杂等一系列问题，严重制约着基于这种慢波结构的毫米波行波管的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种毫米波行波管慢波结构损耗小且加工流程简单便捷的介质交错双栅慢波结构。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：一种介质交错双栅慢波结构，包括平行配合的上栅和下栅，上栅由上支撑基底和上栅板构成，下栅由下支撑基底和下栅板构成，上栅板周期性排列于上支撑基底下表面，下栅板周期性排列于下支撑基底上表面，上栅板和下栅板相对交错排列，上栅板和下栅板由弱导电或不导电介质材料制作。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：所述上支撑基底和下支撑基底由导电金属或弱导电或不导电介质材料制作。
进一步地，所述的导电金属为铜或铝或钢。
进一步地，所述的弱导电或不导电介质材料为硅或锗或二氧化硅或金刚石。
所述上栅板和下栅板的纵截面为矩形或梯形或三角形。
进一步地，相邻上栅板的板体间及相邻下栅板的板体间的排列周期长度为不变或递增或递减。
本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种介质交错双栅慢波结构，相比矩形交错双栅慢波结构，以弱导电或不导介质栅代替导电金属栅作为波导结构，可以有效解决慢波结构在毫米波波段损耗较高的问题，另外，该慢波结构所使用的介质材料可以直接采用微电子技术中常用的硅锗等材料，加工方式和加工流程简单便捷，是一种具有较大潜力的适用于毫米波波段行波管的慢波结构。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图2是本发明的纵截面示意图。
图3是图1的局部立体结构示意图。
图4是本发明的截面尺寸标注图。
图5是介质矩形交错双栅慢波结构和金属矩形交错双栅慢波结构的电路损耗比较图。
其中：1为上栅；2为下栅；3为上支撑基底；4为上栅板；5为下支撑基底；6为下栅板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
参阅图1，本发明的一种介质交错双栅慢波结构，包括平行配合的上栅1和下栅2，上栅1由上支撑基底3和上栅板4构成，下栅2由下支撑基底5和下栅板6构成，上栅板4周期性排列于上支撑基底3下表面，下栅板6周期性排列于下支撑基底5上表面，上栅板4和下栅板6相对交错排列，上栅板4和下栅板6由弱导电或不导电介质材料制作。
实施例中，上栅1和下栅2结构完全相同。
实施例中，上支撑基底3和下支撑基底5由导电金属制作。
实施例中，弱导电或不导电介质材料为硅，其介电常数为11.9。
实施例中，上栅板4和下栅板6的纵截面为矩形。
参阅图3，定义上述实施例中介质交错双栅慢波结构的尺寸参数：a为上栅板4的横向宽度，d为下栅板6的厚度，L为上栅板4的高度，h为上支撑基底3的厚度，b为上栅板4和下栅板6间的纵向板间距，p为相邻上栅板4的板体间的排列周期长度。
实施例中，介质交错双栅慢波结构的尺寸为：a=0.77 mm,d=0.115 mm,L=0.27 mm,h=0.1 mm,b=0.15 mm，p=0.46 mm。
通过三维电磁仿真软件对本实施例的介质交错双栅慢波结构与在相同条件和尺寸下的金属矩形交错双栅慢波结构进行仿真，监测它们在单位周期的损耗。
实施例中，弱导电或不导电介质材料硅的电阻率为1000 Ohm/cm，导电金属的等效电导率为6e6 S/m。
参阅图4，仿真结果表明，本实施例的介质矩形交错双栅慢波结构的电路损耗远低于金属矩形交错双栅慢波结构，说明本发明提供的一种介质交错双栅慢波结构可以有效解决现有的毫米波行波管电路损耗高的问题，为高性能毫米波行波管的生产加工提供了新的思路。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种介质交错双栅慢波结构，包括平行配合的上栅（1）和下栅（2），其特征在于：所述上栅（1）由上支撑基底（3）和上栅板（4）构成，所述的下栅（2）由下支撑基底（5）和下栅板（6）构成，所述的上栅板（4）周期性排列于上支撑基底（3）下表面，所述的下栅板（6）周期性排列于下支撑基底（5）上表面，所述的上栅板（4）和下栅板（6）相对交错排列，所述的上栅板（4）和下栅板（6）由弱导电或不导电介质材料制作，所述上支撑基底（3）和下支撑基底（5）由导电金属或弱导电或不导电介质材料制作，所述的导电金属为铜或铝或钢，所述的弱导电或不导电介质材料为硅或锗或二氧化硅或金刚石。
2.如权利要求1所述的一种介质交错双栅慢波结构，其特征在于：所述上栅板（4）和下栅板（6）的纵截面为矩形或梯形或三角形。
3.如权利要求1所述的一种介质交错双栅慢波结构，其特征在于：相邻上栅板（4）的板体间及相邻下栅板（6）的板体间的排列周期长度为不变或递增或递减。
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