CN109273336A - 一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正弦函数轮廓的交错栅慢波结构，它由一个长方体壳体、上/下栅齿、上/下腔体以及带状注通道构成。带状电子注通道的宽边轮廓由传统的直线型变成了呈正弦函数分布的轮廓。该慢波结构的纵向电场沿着宽边的分布和带状注通道的形状轮廓相吻合，均呈正弦函数分布。这种慢波结构既能提高工作频率又能增大耦合阻抗，能够弥补耦合阻抗在宽边方向的不均匀性，从而能够增加注波互作用的强度，进而有利于提高基于该慢波结构的行波管/返波管的电子效率和输出功率。当应用于带状注行波管时，还能够提高整管增益。基于这种慢波结构的毫米波太赫兹行波管/返波管在通信、雷达、电子对抗和成像等诸多军民应用领域有着广泛的应用前景。

Description

一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构

[技术领域]

本发明属于微波电真空技术领域，具体涉及一种用于带状注行波管/返波管的慢波结构。

[背景技术]

微波/毫米波/太赫兹技术在通信、雷达、电子对抗、安检成像、材料检测、生物医学等诸多军民应用领域有着广泛的应用。微波/毫米波/太赫兹源是微波/ 毫米波/太赫兹技术的基础，是整机系统中不可或缺的一部分。微波电真空器件由于具有电子效率高和输出功率大等原因，是一种非常重要的微波/毫米波/太赫兹源。带状注器件通过扩大电子注面积来提高电子注的电流，从而能够提高整管的输出功率，是近年来被广泛研究的一种微波电真空器件。带状注行波管通过带状电子注和前向波的换能，实现对电磁波信号的功率放大，是微波放大器的一种。带状注返波管，通过带状注和返向波的换能，产生一个具有大功率输出的电磁波信号，是微波振荡器的一种。上述两种器件是注波换能的场所，被称为慢波结构，是带状注行波管/返波管的一个核心部件。该部件的性能优劣直接决定了整管的性能。

近年来，国内外的研究学者对多种带状注行波管/返波管的慢波结构展开了研究，主要包括交错栅慢波结构、折叠波导慢波结构、耦合腔慢波结构、单栅慢波结构、正弦波导和对称栅慢波结构。在上述众多慢波结构中，交错栅慢波结构由于具有很宽的工作带宽以及较大的功率容量，近年来国内外学者对它进行了广泛的研究。在“一种宽频高功率亚毫米波行波管的高频电路”(《IEEE电子器件》，2009年，56卷，706-712页，作者：Young-Min Shin,Larry R.Barnett 等)一文中，该文作者首先研究了交错栅慢波结构。如图1所示，该交错栅慢波结构具有矩形轮廓的带状电子注通道14。这种交错栅慢波结构具有以下两个不足之处：(1)该慢波结构的电场分布沿着带状电子注通道11的宽边方向呈中间强，两边弱的分布，使得该慢波结构的平均耦合阻抗低，且在宽边方向两端的注波互作用弱。(2)在实际情况中，带状电子注的轮廓为椭圆状而非矩形状，因此，注波互作用在宽边方向将呈现中间强两边弱的特点。为了缓解上述问题所带来的不利影响，在“一种宽频高功率亚毫米波行波管的高频电路”(《IEEE 电子器件》，2016年，63卷，2089-2096页，作者：Guoxiang Shu,JianxunWang 等)一文中，提出了圆弧轮廓的带状电子注通道，即在宽边方向的轮廓为一段圆弧。采用圆弧轮廓的交错栅慢波结构增大了平均耦合阻抗，从而能够提高电子注的效率以及输出功率。由于该慢波结构的电场分布呈正弦函数分布，而非圆弧分布。采用圆弧轮廓对电场分布的弥补并非最佳。因此，采用圆弧轮廓的交错栅慢波结构的性能具有进一步提升的空间。

[发明内容]

本发明的目的在于：提出了一种带状电子注通道在宽边方向的轮廓呈正弦函数分布的交错栅慢波结构，从而使得该轮廓的形状和纵向电场沿着宽边方向的分布相吻合，从而弥补纵向电场在宽边方向分布不均匀的缺陷，进而提高该慢波结构的耦合阻抗。

本发明具体采用如下技术方案：

一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构，包括一个长方体壳体21、壳体内上方分布着多个上栅齿22、下方分布着多个下栅齿24、相邻上栅齿之间所形成的上腔体23、相邻下栅齿之间所形成的下腔体25，以及多个上栅齿的下边缘和多个下栅齿的上边缘之间形成带状电子注通道26；上栅齿的下边缘和下栅齿的上边缘的轮廓呈正弦函数分布的形状，上下边缘中间分别呈凹陷状。

优选地，两个相邻的上栅齿22和两个相邻的下栅齿24沿着慢波结构轴向呈周期排列，即等间距排列，间距为p，每个上栅齿和每个下栅齿沿着慢波结构轴向错位半个周期，即p/2。

优选地，两个相邻的上栅齿之间的腔体为上腔体23，两个相邻的下栅齿之间的腔体为下腔体25；其中，上栅齿和上腔体位于长方体壳体的上顶面，下栅齿和下腔体位于长方体壳体的下底面。

优选地，带状电子注通道26在竖直方向的最大/最小高度分别为h_max和h_min；上栅齿、上腔体、下栅齿、下腔体和带状电子注通道的宽边长度均为一样，用w 表示；上栅齿和下栅齿在竖直方向的最小高度均为一样，用v_min表示；上栅齿和下栅齿的厚度也一样，用t表示。

优选地，带状电子注通道的上下边缘轮廓形状为呈正弦函数分布。

优选地，以电子注通道左窄边的中点为原点，则上栅齿对应的函数为 y＝h_min/2+(h_max-h_min)/2*sin(π/w*x)(0≤x≤w)，下栅齿对应的函数为 y＝-h_min/2-(h_max-h_min)/2*sin(π/w*x)(0≤x≤w)。

根据本发明的另一方面，采用一种带状电子注，使用如上所述的一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构，带状电子注呈椭圆形状，椭圆形状的带状电子注从带状电子注通道通过，带状电子注的轮廓和电子注通道的正弦函数轮廓在垂直方向上的间距d沿着水平轴线方向将近似相等。

根据本发明的另一方面，提供一种基于该交错栅慢波结构的真空电子器件，包括如上所述的一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构。

采用正弦函数轮廓的交错栅慢波结构能够通过在电子通道宽边两端的空间压缩，使得纵向电场的电场强度更大，从而能够提高耦合阻抗，进而提高整管的电子效率和输出功率。

本发明的有益效果为：

(1)与直线轮廓和圆弧轮廓的交错栅慢波结构相比，本发明所提出的慢波结构的色散特性要整体往上平移，从而有利于提高工作频率；

(2)与直线轮廓和圆弧轮廓的交错栅慢波结构相比，本发明所提出的慢波结构的耦合阻抗得到了增加，从而能够提高注波互作用的强度；

(3)与直线轮廓和圆弧轮廓的交错栅慢波结构相比，本发明所提出的慢波结构的电场强度沿着宽边方向得到了增加，从而有利于提高注波互作用的强度；

(4)和传统直线轮廓交错栅慢波结构相比，正弦函数轮廓交错栅慢波结构的电子注通道轮廓和带状电子注在宽边两端的竖直间距得到了缩短，从而有利于改善传统直线轮廓交错栅慢波结构在电子注通道两端注波互作用弱的特点；

(5)上述有益效果有助于提高基于交错栅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是背景技术的直线型轮廓交错栅慢波结构模型示意图；

其中，11表示长方体壳体；12表示上栅齿；13表示上腔体；14表示下栅齿； 15表示下腔体；16表示矩形轮廓带状电子注通道。

图2是本发明中具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构模型示意图；

其中，21表示长方体壳体；22表示上栅齿；23表示上腔体；24表示下栅齿； 25表示下腔体；26表示正弦函数轮廓带状电子注通道。

图3是本发明正弦函数轮廓交错栅慢波结构和椭圆状的带状电子注的模型示意图；

其中，31表示正弦函数轮廓带状电子注通道；32表示椭圆状的带状电子注。

图4是直线轮廓、圆弧轮廓和正弦函数轮廓的交错栅慢波结构的色散曲线对比图；

图5是直线轮廓、圆弧轮廓和正弦函数轮廓的交错栅慢波结构的耦合阻抗对比图；

图6是直线轮廓、圆弧轮廓和正弦函数轮廓的交错栅慢波结构的纵向电场沿着宽边方向(x方向)的曲线分布图。

[具体实施方式]

本实施例以工作在G频段的正弦函数轮廓交错栅慢波结构为例。

如图2所示，本发明正弦函数轮廓交错栅慢波结构，包括长方体壳体21、上栅齿22、下腔体23、下栅齿24、下腔体25和带状电子注通道26。该慢波结构的结构参数分别为：p＝0.6mm、v_min＝0.29mm、w＝0.84mm、t＝0.1mm、h_max＝0.14 mm和h_min＝0.08mm。上栅齿22和下栅齿24在宽边方向的轮廓均服从正弦函数分布。以电子注通道左窄边的中点为原点，则上栅齿22对应的函数为 y＝0.04+0.03*sin(2π/1.68*x)(0≤x≤0.84)，下栅齿24对应的函数为y＝-0.04-0.03*sin(2π/1.68*x)(0≤x≤0.84)。

如图3所示，椭圆形状的带状电子注32从正弦函数轮廓带状电子注通道31 通过，带状电子注的轮廓和电子注通道的正弦函数轮廓在垂直方向上的间距d 沿着水平轴线方向将近似相等。

利用电磁仿真软件，对直线轮廓、圆弧轮廓和正弦函数轮廓三种不同类型的交错栅慢波结构进行模拟仿真。以上三种交错栅慢波结构的下述结构尺寸均一样，即p＝0.6mm，w＝0.84mm，t＝0.1mm。对于直线轮廓交错栅慢波结构，带状电子注通道的宽边轮廓为直线，带状电子注通道在竖直方向的高度h＝0.14mm, 上栅齿和下栅齿在竖直方向的高度v＝0.29mm。对于圆弧轮廓结构交错栅慢波结构，带状电子注通道在竖直方向的最大和最小高度分别为h_max＝0.14mm，h_min＝0.08 mm,上栅齿和下栅齿在竖直方向的最小高度v_min＝0.29mm。带状电子注通道的宽边轮廓为圆弧，圆弧半径R为2.955mm。

图4给出了直线轮廓、圆弧轮廓和正弦函数轮廓三种交错栅慢波结构的色散特性曲线对比图。图4表明：当相位相同时，对应的工作频率由高到低依次为正弦函数轮廓、圆弧轮廓和直线轮廓的交错栅慢波结构。比如：当相位为2.22π (约400度)时，上述三种慢波结构的工作频率依次为188.8GHz、187.4GHz、 182.3GHz。仿真结果表明：在相同结构尺寸下，正弦函数轮廓的交错栅慢波结构有利于提高工作频率。

图5给出了直线轮廓、圆弧轮廓和正弦函数轮廓三种交错栅慢波结构的耦合阻抗特性曲线对比图。图5表明：在整个频带内，正弦函数轮廓交错栅慢波结构的耦合阻抗均高于其它两种交错栅慢波结构的耦合阻抗。比如：当工作频率为190GHz时，正弦函数轮廓、圆弧轮廓和直线轮廓的交错栅慢波结构的耦合阻抗依次为113Ω、88Ω和45Ω。仿真结果表明：采用正弦函数轮廓的交错栅慢波结构有利于耦合阻抗，从而有利于提高注波互作用强度，进而提高整管的电子效率和增益。

图6给出了直线轮廓、圆弧轮廓和正弦函数轮廓三种交错栅慢波结构的纵向电场沿宽边方向(x方向)的分布曲线对比图。图6表明：正弦函数轮廓交错栅慢波结构的纵向电场强度最大，暗示着在相同条件下，该慢波结构的注波互作用强度更大。

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。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构，包括一个长方体壳体、壳体内上方分布着多个上栅齿、下方分布着多个下栅齿、相邻上栅齿之间所形成的上腔体、相邻下栅齿之间所形成的下腔体，以及多个上栅齿的下边缘和多个下栅齿的上边缘之间形成带状电子注通道；其特征在于：上栅齿的下边缘和下栅齿的上边缘的轮廓呈正弦函数分布的形状，上下边缘中间分别呈凹陷状。

2.根据权利要求1所述的交错栅慢波结构，其特征在于：两个相邻的上栅齿和两个相邻的下栅齿沿着慢波结构轴向呈周期排列，即等间距排列，间距为p，每个上栅齿和每个下栅齿沿着慢波结构轴向错位半个周期，即p/2。

3.根据权利要求1或2所述的交错栅慢波结构，其特征在于：两个相邻的上栅齿之间的腔体为上腔体，两个相邻的下栅齿之间的腔体为下腔体；其中，上栅齿和上腔体位于长方体壳体的上顶面，下栅齿和下腔体位于长方体壳体的下底面。

4.根据权利要求1所述的交错栅慢波结构，其特征在于：带状电子注通道的上下边缘轮廓形状为呈正弦函数分布。

5.根据权利要求1或4所述的交错栅慢波结构，其特征在于：带状电子注通道在竖直方向的最大/最小高度分别为h_max和h_min；上栅齿、上腔体、下栅齿、下腔体和带状电子注通道的宽边长度均为一样，用w表示；上栅齿和下栅齿在竖直方向的最小高度均为一样，用v_min表示；上栅齿和下栅齿的厚度也一样，用t表示。

6.根据权利要求5所述的交错栅慢波结构，其特征在于：以电子注通道左窄边的中点为原点，则上栅齿宽边轮廓对应的函数为y＝h_min/2+(h_max－h_min)/2＊sin(π/w＊x)(0≤x≤w)，下栅齿宽边轮廓对应的函数为y＝－h_min/2－(h_max－h_min)/2＊sin(π/w＊x)(0≤x≤w)。

7.一种带状电子注，其特征在于：使用在如权利要求1所述的一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构，带状电子注呈椭圆形状，椭圆形状的带状电子注从带状电子注通道通过，带状电子注的轮廓和电子注通道的正弦函数轮廓在垂直方向上的间距d沿着水平轴线方向将近似相等。

8.一种基于交错栅慢波结构的真空电子器件，其特征在于，包括如权利要求1所述的一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构。