CN108987220A - 一种具有曲线轮廓的单栅慢波结构 - Google Patents

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钱正芳
熊浩
孙翎
孙一翎
范姝婷
陈乐�
戴翔宇
周灿钦
梁豪
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    • H01J23/16—Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge
    • H01J23/24—Slow-wave structures, e.g. delay systems

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Abstract

本发明公开了一种曲线轮廓的单栅慢波结构，由一个长方体壳体、沿着纵向周期分布的各栅齿以及曲线轮廓的电子注通道构成。这种慢波结构可以在不改变其色散特性的情况下，能够提高平均耦合阻抗，改善耦合阻抗在宽边方向的均匀性，增加注波互作用的强度，从而有利于提高基于该慢波结构的行波管/返波管的电子互作用效率以及输出功率。对于行波管，还有利于提高其整管增益。基于这种慢波结构的毫米波太赫兹行波管/返波管具有结构紧凑、电子效率高、输出功率大等优点，在高数据率通信系统、高精度成像系统、电子对抗系统和雷达整机系统等方面有着广泛的应用前景。

Description

一种具有曲线轮廓的单栅慢波结构
[技术领域]
本发明属于微波真空电子技术领域，具体涉及一种具有曲线轮廓的单栅慢波结构。
[背景技术]
毫米波/太赫兹波由于具有波长短、频率高、光子能量低、信噪比高、带宽极宽等特性，在安检成像、无损检测、生物医学、高数据率通信、雷达探测等诸多军民应用领域具有广泛的应用前景。毫米波源/太赫兹源是毫米波/太赫兹技术的基础，是毫米波/太赫兹应用系统中不可或缺的器件，而基于真空电子学的毫米波太赫兹源是当前毫米波太赫兹源研究领域的一个重要分支。在真空电子器件中，带状注器件由于具有电子注面积大、电子注功率高等优点，和传统的圆形电子注器件相比，其输出功率可以提高一个数量级，因此，近年来受到了广泛的研究。慢波结构作为电子注与电磁波相互作用的场所，是带状注行波管/返波管的核心部件之一。该器件性能的好坏对于整管的性能有着重要的影响，因此，具有重要的研究价值。
目前，带状注器件的慢波结构主要有单栅、折叠波导、耦合腔、交错栅、对称栅和正弦波导等多种结构。其中对称栅和交错栅慢波结构均是在单栅慢波结构的基础上发展而来的。单栅慢波结构的结构最为简单，有利于加工和装配。由于毫米波太赫兹器件的结构尺寸小，因此该结构尤其适合工作在高频率的带状注器件中。在“用于太赫兹应用的基于波纹矩形波导的可调谐返波管”(《IEEE电子器件》，2010年，57卷，6期，1481-1484页，作者：MauroMineo,Claudio Paoloni)一文中，作者将单栅慢波结构应用于太赫兹返波管的设计。传统单栅慢波结构如图1所示，包括：长方体壳体11和矩形栅齿12，在长方体壳体下底面的矩形栅齿12沿着纵向(图1中的z方向)周期排列(等间距排列)，长方体壳体的上方面板与矩形栅齿之间为电子注通道13。和交错栅、对称栅等慢波结构相比，单栅慢波结构在纵向的电场分量要小，从而使得其耦合阻抗小。另外，单栅慢波结构、交错栅慢波结构以及对称栅慢波结构等矩形波导慢波结构的工作模式的电场在宽边方向(x方向)呈正弦函数分布，即中间强，两边弱，导致注波互作用中间强两端弱，互作用强度在宽边方向不均匀。从而使得：(1)该慢波结构的平均耦合阻抗低；(2)该慢波结构的耦合阻抗呈中间强两边弱的特点，从而使得注波互作用在宽边方向不均匀。另外，带状电子注一般为椭圆形状而非理想的矩形状。因此，注波互作用在宽边的两端位置要弱。以上几个特点使得基于该慢波结构的真空电子器件存在注波互作用效率低和输出功率难以提升等缺陷。
[发明内容]
本发明的目的在于：在传统单栅慢波结构的基础上，提出了一种用于毫米波太赫兹带状注行波管/返波管的曲线轮廓的单栅慢波结构。
本发明具体采用如下技术方案：
一种具有曲线轮廓的单栅慢波结构，包括长方形壳体、带状电子注通道以及各栅齿，所述各栅齿沿着轴线周期性排列延伸，长方形壳体的上平板与各栅齿形成电子注通道，所述电子注通道用于通过带状电子注，在沿轴线周期性延伸的各栅齿顶部与长方形壳体上平板形成的电子注通道具有曲线轮廓。
优选地，电子注通道上下侧的曲线轮廓包括了沿宽边方向以不同函数分布的圆弧轮廓、切比雪夫轮廓和正弦函数轮廓。
优选地，所述各栅齿之间为等间距排列。
优选地，所述带状电子注轮廓为椭圆形状。
优选地，带状电子注和电子注通道的曲线轮廓在垂直方向上的间距在水平方向上的各个位置相等。
其次，本发明提供了一种单栅慢波结构器件，包括以上所述的具有曲线轮廓的单栅慢波结构。
本发明的有益效果为：
(1)在基本不改变色散特性的情况下，增加了该慢波结构的平均耦合阻抗，提高了注波互作用强度；
(2)改善了传统单栅慢波结构的耦合阻抗在宽边方向分布不均匀的情况，耦合阻抗在两端位置的增长率要高于中间位置；
(3)缩短了带状电子注(一般为椭圆形状)和电子注通道轮廓在电子注通道两端的间距，从而有利于改善传统单栅慢波结构在电子注通道两端注波互作用弱的特点；
(4)上述有益效果有助于提高基于该种慢波结构的带状注行波管/返波管的电子互作用效率和输出功率。
[附图说明]
图1是背景技术的单栅慢波结构模型示意图；
其中，11表示长方体壳体；12表示栅齿；13表示带状电子注通道。
图2是本发明中具有圆弧轮廓的单栅慢波结构模型示意图；
其中，21表示长方体壳体；22表示栅齿；23表示带状电子注通道。
图3是本发明中具有正弦函数分布轮廓的单栅慢波结构模型示意图；
其中，31表示长方体壳体；32表示栅齿；33表示带状电子注通道。
图4是本发明曲线轮廓单栅慢波结构和带状电子注(椭圆状)的模型示意图；其中，41表示长方体壳体；42表示栅齿；43表示带状电子注通道；44表示带状电子注。
图5是本发明实施例1与背景技术的色散曲线对比图；
图6是本发明实施例1与背景技术的平均耦合阻抗对比图；
图7是本发明实施例1的耦合阻抗沿着宽边方向的增长率；
图8是本发明实施例2与背景技术的色散曲线对比图；
图9是本发明实施例2与背景技术的平均耦合阻抗对比图；
图10是本发明实施例2的耦合阻抗沿着宽边方向的增长率。
[具体实施方式]
慢波结构是行波管/返波管电子注和电磁波相互作用的场所。在达到注波同步条件的情况下，馈入至慢波结构中的电子注能量将会转换给电磁波，从而实现电磁波的放大(行波管)或激励(返波管)。完成注波互作用后，电子注将会被收集极收集，而放大/激励的电磁波将通过输出耦合器输出至负载。当慢波结构的耦合阻抗越大，注波互作用强度将会越强，从而有利于提高整管的输出功率和电子效率等整管性能参数。
下面结合实施例对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围不仅限于实施例。
实施例1
本实施例以工作在Q频段的圆弧轮廓单栅慢波结构为例。如图2所示，包括长方体壳体21、栅齿22和带状电子注通道23，电子注通道23的两条宽边轮廓是一段圆弧，圆弧的半径r为22.1mm，弦长l为4.2mm。电子注通道23在竖直方向的最大高度hmax为0.7mm。栅齿的最小高度为hvmin为1.45mm，其厚度t为1.5mm。栅齿间的间距p为3mm。
图5、图6和图7分别给出了本实施例提供的传统直线轮廓和新型圆弧轮廓单栅慢波结构的色散特性曲线、平均耦合阻抗特性曲线以及耦合阻抗的增长率随宽边方向的变化曲线。图5表明：常规直线轮廓和新型圆弧轮廓的单栅慢波结构的色散特性曲线基本吻合。图6表明：在整个频带内，新型圆弧轮廓单栅慢波结构的平均耦合阻抗均高于常规直线形轮廓单栅慢波结构的耦合阻抗。当工作频率为40GHz时，平均耦合阻抗由13.1Ω提高到了17.0Ω。图7表明：耦合阻抗的增长率在电子注通道宽边方向的两端位置(46.7％)要高于中间位置(10.2％)。
实施例2
本实施例以工作在Q波段的正弦函数分布的曲线轮廓为例。如图3所示，包括长方体壳体31、栅齿32和带状电子注通道33，电子注通道的两条宽边轮廓是一个以正弦函数分布的曲线轮廓。其中，正弦函数的峰值为0.45mm，周期长度为16.8mm。取该正弦函数曲线在π/4至3π/4处的一段曲线轮廓，对应的弦长l为4.2mm。电子注通道在竖直方向的最大高度hmax为0.9mm,最小高度hmin为0.5mm。矩形栅齿的最小高度为hvmin为1.45mm，其厚度t为1.5mm。栅齿间的间距p为3mm。
图8、图9和图10分别给出了本实施例提供的传统直线轮廓和新型曲线轮廓单栅慢波结构的色散特性曲线、平均耦合阻抗特性曲线和耦合阻抗的增长率随宽边方向的变化曲线。图8表明：常规直线轮廓和新型曲线轮廓的单栅慢波结构的色散特性曲线基本吻合。图9表明：在整个频带内，新型曲线轮廓单栅慢波结构的平均耦合阻抗均高于常规直线形轮廓单栅慢波结构的耦合阻抗。当工作频率为40GHz时，平均耦合阻抗由13.1Ω提高到了32.0Ω，增加了144％。图10表明：耦合阻抗的增长率在电子注通道宽边方向的两端位置要高于中间位置。
如图4所示，包括长方体壳体41、栅齿42和带状电子注通道43，椭圆形状的带状电子注44从电子注通道通过，带状电子注44的轮廓和电子注通道的曲线轮廓在竖直方向(y方向)上的间距在宽边方向(x方向)的各个位置基本相等。
本发明将传统单栅慢波结构电子注通道的直线轮廓用曲线轮廓替代，使得在基本不改变色散特性的情况下，提高该慢波结构的耦合阻抗，进而有利于提高基于该慢波结构的行波管/返波管的整管性能。
以上实例仅为方便说明本发明，本发明适用于毫米波太赫兹的多个频带，包括X、Ku、Ka、W、D和G频段的带状注行波管/返波管。另外，实施例仅是采用圆弧轮廓和正弦函数轮廓进行说明本发明，该种曲线轮廓还可以采用切比雪夫分布轮廓和二项分布轮廓等其他的分布函数。

Claims (5)

1.一种具有曲线轮廓的单栅慢波结构，包括长方形壳体、电子注通道以及各栅齿，所述各栅齿沿着轴线周期性排列延伸，长方形壳体的上平板与各栅齿形成电子注通道，所述电子注通道用于通过带状电子注，其特征在于：分别在沿轴线周期性延伸的各栅齿顶部与长方形壳体上平板形成的电子注通道具有曲线轮廓。
2.根据权利要求1所述的一种单栅慢波结构，其特征在于：电子注通道上下侧的曲线轮廓包括了沿宽边方向以不同函数分布的圆弧轮廓、切比雪夫轮廓和正弦函数轮廓。
3.根据权利要求1所述的一种单栅慢波结构，其特征在于：所述各栅齿之间为等间距排列。
4.根据权利要求1所述的一种单栅慢波结构，其特征在于：所述带状电子注轮廓为椭圆形状。
5.一种单栅慢波结构器件，包括如权利要求1所述的具有曲线轮廓的单栅慢波结构。
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