CN109559960A - 一种低电压扩展互作用慢波器件 - Google Patents

Abstract

一种低电压扩展互作用慢波器件，该发明属于真空电子器件中的高功率微波、毫米波技术领域中的低电压扩展互作用慢波器件；包括壳体，等间隔平行设置的两端开口的槽形光栅及将各槽形光栅连通的电子束通道，在各光栅及电子束通道的两侧还分别设有一内侧为敞口的耦合腔，在其中一个耦合腔的外侧顶部通过耦合孔还连接有一输出波导。该发明由于采用两端开口的槽形光栅与电子束通道组成的慢波结构件其结构简单、互作用区较短，并可在2~8kV低电压及W波段或毫米波波段乃至太赫兹频段以工作、实现脉冲和直流工作，在驻波或/和返波工作模式下使用，且输出功率可达几十瓦至上百瓦数量级。从而具有器件结构紧凑、体积小，工作频率范围宽、工作电压低、输出功率高，应用范围广等特点。

Description

一种低电压扩展互作用慢波器件

技术领域

本发明属于真空电子器件中的高功率微波、毫米波技术领域，更具体的说是涉及一种与扩展互作用振荡器(EIO)配套用低电压、W波段或毫米波波段乃至太赫兹频段扩展互作用慢波器件。

背景技术

在电子信息领域，现代实用化的毫米波源电子器件主要分为两类：微波电真空器件与半导体器件，然而，这两类器件有本质区别，并且各有其应用范围，微波电真空器件是以电磁波在真空中与电子束互作用为基本原理的一类庞大家族，是雷达、卫星、制导组件、通信、医疗器械等关系国家安危与国计民生的重要系统的核心器件，此类器件自上世纪初问世以来在军事和民用领域发挥着非常重要的作用；而半导体器件是基于半导体材料和工艺研制的电子器件，依赖半导体材料中晶格的结构和载流子产生的电特性工作，其结构和工作原理决定了它的低工作电压特点，使其具有体积小、重量轻、可靠性好、易集成等优点，其中低电压工作使其广泛应用于消费电子、数字电视、汽车电子、医疗电子等民用领域，但其输出功率小(特别是工作在毫米波和亚毫米波频段时)的特点又难以满足当下应用的需要，所以很难应用于航天工程领域及外太空探测器等需要高功率的场合。

随着电子技术的发展，在低功率、低频率、低电压场合半导体器件已基本取代电真空器件，但在高频率、高功率应用场合，电真空器件仍占有绝对优势，如果微波电真空器件也能在较低电压下工作，同时若能充分保证较高的输出功率和能量转换效率，则会对半导体器件产生很大的冲击力，将在低电压大功率和高频率场合取代半导体器件，进而，这种可以在低电压下工作的微波电真空器件将极大拓宽电真空器件的应用范围，在更多的军事和民用生活方面占据主导地位，形成电子工业领域的新前景。

目前电真空器件的工作电压普遍较高，在毫米波波段，即使器件本身可以做到很小，但高电压使得对电源体积和重量的压缩变得困难，低电压辐射源技术的突破将为系统的小型化及实用化迈出关键的一步，对毫米波辐射源器件的改进就变得尤为重要。扩展互作用振荡器(ExtendedInteractionOscillator,EIO)在工作原理上说仍是一种传统的微波电真空器件，由于它在毫米波段乃至太赫兹波段上具有优异的性能和重要的应用价值，成为了一种很重要的毫米波辐射源。就EIO而言，其通常采用慢波结构与谐振腔体相互耦合构成的扩展互作用器件的谐振系统，既保证了功率、带宽和效率的提升，同时又实现了器件的小型化和轻量化。

由一段扩展互作用结构构成的单腔EIO，以W波段为例：在直流工作条件下，其连续波功率可达到100W，是现有半导体器件的100倍，如果是脉冲工作，其峰值功率可达连续波功率的20～30倍。目前毫米波EIO已经覆盖了30～500GHz的频率，功率电平达到1kW～1W的连续波功率。而半导体器件中单个晶体管功率水平在毫瓦到瓦量级，而且频率越高功率越低，在W波段只有0.2-0.5W的水平。尽管现有的EIO器件能产生远大于半导体器件的输出功率，但是其高的工作电压(一般大于10kV，高的可到40kV)限制了其应用的范围。如果能使EIO工作在低电压下同时保证其功率输出是半导体器件的几十甚至几百倍，将可以弥补现有半导体器件功率小的缺点，降低在大功率应用背景下的系统难度。

传统的EIO慢波结构有周期加载波导结构、折叠波导结构、矩形重入式耦合腔结构等，具有高电压、高功率、高频率、质量小的特点。随着工作电压降低、频率升高，将会遇到结构加工困难、输出功率降低的情况，而电子枪的输出功率、低电压和慢波电路的选择是影响输出功率的重要因素。目前国内已有通过改进电子注形状提高输出功率的专利，如申请号为201510081649的“一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器”，所公开的一种采用环行带状电子注的径向EIO，通过增大电子发射面积及增加电子束通道面积，使得EIO在小电流密度下，能够获得更大功率，但其并没有解决EIO低电压工作的问题。而公开号为CN104599924A的“一种多级互作用系统螺旋线行波管”则着重提出了一种多级互作用系统，利用各级互作用系统上的调节电极对电子束进行调节，吸收每一级螺旋线中与电磁波完成互作用的低能量电子，即利用调节电极上的电位使低能量电子沉积在电极上，高能量电子继续与电磁波在下一级互作用系统中产生能量交换，再将各级输出端口的功率合成，从而提高行波管电子效率，由于调节电极的作用其行波管工作电压较低，为4.5kV，且多级互作用系统相接使得整体慢波系统尺寸较长，即互作用区较长，聚焦系统较复杂，输出功率经合成后达百瓦量级，但工作频率为Ku波段(12.4-18GHz)，其工作频率范围窄。

发明内容

本发明的目的在于开发研究一种低电压扩展互作用慢波器件，该慢波器件用于扩展互作用振荡器(EIO)、通过与低电压的电子束相互作用，在W波段、毫米波乃至太赫兹频段可得到5W～500W的输出功率，以达到工作电压低、频率范围宽，输出功率高，以及结构简单、体积小、易加工、便于整体集成等目的。

本发明的解决方案是：采用电子束通道将间隔设置的两端开口的一组槽形光栅连通、组成一慢波结构件，并在各槽形光栅的两开口端各连接一耦合腔，同时在一耦合腔的外顶部通过耦合孔连接一输出波导，从而构成本发明所述低电压扩展互作用慢波器件。因而，本发明低电压扩展互作用慢波器件包括壳体，光栅及连通各光栅的电子束通道，关键在于在各光栅及电子束通道的两侧还分别设有一内侧为敞口的耦合腔，在其中一个耦合腔的外侧顶部通过耦合孔还连接有一输出波导；而光栅均为两端开口的槽形光栅，各槽形光栅等间隔平行设于其壳体内且通过贯穿壳体的电子束通道连通、以组成慢波结构件，电子束通道为圆柱形通道、其中心线与各光栅大截面中心连线位于同一直线上；两耦合腔内侧的敞口分别罩于槽形光栅两侧的开口端及前、后槽形光栅后，密封固定成一体。

所述分别设有一内侧为敞口的耦合腔，两耦合腔内腔的结构、尺寸相同，其顺电子束通道中心线方向长为不小于槽形光栅的个数与相邻两光栅中心距的乘积、内侧敞口至外侧顶部的距离为工作波长的1/6-1/4、前后宽不小于槽形光栅两侧边之间的宽度。而所述电子束通道为圆柱形通道，其直径为工作波长的1/6-1/4。所述各槽形光栅等间隔平行设于其壳体内，各槽形光栅两开口端之间的高度(距离)为电子束通道的直径1.5-2.5倍，相邻两槽形光栅的中心距为0.15-0.45mm；而槽形光栅的个数则以器件的工作模式为准：当用在驻波工作模式时槽形光栅为5-15个，当用在返波工作模式时槽形光栅为20-40个，而用在驻波和返波工作模式时槽形光栅则为12-25个。

本发明采用两端开口的槽形光栅与电子束通道组成的慢波结构件其结构简单、互作用区较短，器件中前、后两端的槽形光栅之间的距离在10mm以内，可在2～8kV低电压及W波段或毫米波波段乃至太赫兹频段工作，还可实现脉冲和直流工作，本发明可在驻波或/和返波工作模式下使用，且输出功率可达几十瓦至上百瓦数量级。从而具有器件结构紧凑、体积小，工作频率范围宽、工作电压低、输出功率高，应用范围广等特点。

附图说明

图1为本发明及具体实施方式结构示意图(A-A剖视图)；

图2为图1的俯视图(B-B剖视图)；

图3为图1的侧视图(C-C剖视图)。

图中：1.上耦合腔体，2.上耦合腔，3.耦合孔，4.输出波导，5.慢波结构件，6.电子束通道7.槽形光栅，8.下耦合腔体，9.下耦合腔。

具体实施方式

本实施方式以与EIO工作频率为94.3GHz、在驻波条件下工作电压为3.6kV、返波条件下工作电压为3.7～4.6kV配套用慢波器件为例：本实施方式为了便于加工采用组装的方式进行，图1、2即为本实施方式结构示意图；上耦合腔体1(横向长×高×前后宽)8×5×10mm，其中：上耦合腔2(横向长×高×前后宽)7.2×1.3×2.0mm，耦合孔3直径φ1.1mm、为0.1mm，输出波导4(横向长×高×前后宽)1.27×3.6×2.54mm；慢波结构件5(横向长×高×前后宽)8×1.1×10mm，其中：电子束通道6直径φ0.6mm、(轴向)长10mm，槽形光栅7本实施方式共设17个形状完全相同槽形光栅、相邻光栅中心间距均为0.6mm、各光栅(横向厚×高×前后宽)0.16×1.1×1.7mm；下耦合腔体8(横向长×高×前后宽)8×2×10mm，其中下耦合腔9的内腔尺寸与上耦合腔2完全相同、即(横向长×高×前后宽)7.2×1.3×2.0mm；本实施方式上耦合腔体1、慢波结构件5、下耦合腔体8均采用金属铜分别制作后，焊接成一体即成。

本实施方式所得扩展互作用慢波器件工作时电子束通道6的输入端连接低电压电子光学系统，电子束通道6的输出端连接收集极：

当在驻波条件下工作：对应电压为3.6kV、工作模式为2π模时，电子束与驻波互作用时其效率较高，EIO输出功率达75W，效率高达10.4％；

当在返波条件下工作：对应电压为3.7～4.6kV，通过改变工作电压即可改变振荡频率，确保返波振荡持续进行；返波电子调谐带宽达到10GHz以上，电子束通过与扩展互作用慢波系统中的-1次空间谐波发生互作用，使场得到放大，放大的场由耦合输出孔3耦合到输出波导4，输出功率可达40W。

与传统电真空器件和半导体器件相比，本发明的特点是采用这种扩展互作用慢波器件的EIO为低电压工作，在W波段、毫米波乃至太赫兹频段可以采用脉冲和直流、既可以工作在驻波也可以工作在返波条件下；整个系统具有小型化、轻量化、易集成的优点，更重要的是其输出功率可达5～500W，驻波工作时，效率可达8％以上，返波工作时，电子调谐带宽达到10GHz以上。采用本发明扩展互作用慢波器件的EIO在低电压大功率场合具有广扩的应用前景。

Claims (4)

1.一种低电压扩展互作用慢波器件，包括壳体，光栅及连通各光栅的电子束通道，其特征在于在各光栅及电子束通道的两侧还分别设有一内侧为敞口的耦合腔，在其中一个耦合腔的外侧顶部通过耦合孔还连接有一输出波导；而光栅均为两端开口的槽形光栅，各槽形光栅等间隔平行设于其壳体内且通过贯穿壳体的电子束通道连通、以组成慢波结构件，电子束通道为圆柱形通道、其中心线与各光栅大截面中心连线位于同一直线上；两耦合腔内侧的敞口分别罩于槽形光栅两侧的开口端及前、后槽形光栅后，密封固定成一体。

2.按权利要求1所述低电压扩展互作用慢波器件，其特征在于所述分别设有一内侧为敞口的耦合腔，两耦合腔内腔的结构、尺寸相同，其顺电子束通道中心线方向长为不小于槽形光栅的个数与相邻两光栅中心距的乘积、内侧敞口至外侧顶部的距离为工作波长的1/6-1/4、前后宽不小于槽形光栅两侧边之间的宽度。

3.按权利要求1所述低电压扩展互作用慢波器件，其特征在于所述电子束通道为圆柱形通道，其直径为工作波长的1/6-1/4。

4.按权利要求1所述低电压扩展互作用慢波器件，其特征在于所述各槽形光栅等间隔平行设于其壳体内，各槽形光栅两开口端之间的高度为电子束通道的直径1.5-2.5倍，相邻两槽形光栅的中心距为0.15-0.45mm；而槽形光栅的个数则以器件的工作模式为准：当用在驻波工作模式时槽形光栅为5-15个，当用在返波工作模式时槽形光栅为20-40个，而用在驻波和返波工作模式时槽形光栅则为12-25个。