CN109872934B - 一种适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构,该慢波结构能够适用于毫米波太赫兹频段，属于微波真空电子器件领域。本发明结构采用两个固定连接的金属栅齿组成单元脊，多个单元脊周期排列形成脊和矩形波导构成慢波结构，该结构结合了脊波导、矩形波导和梯形线的结构特点，形成了一种新型慢波结构。此慢波结构并联后的结构类似于多导体慢波结构，其优点在于耦合阻抗易于调节，通过适当的参数设计，可实现较大的耦合阻抗；其耦合阻抗在远离栅表面的方向上衰减速度较低，可以实现较大面积电子束，进而实现更高的输出功率且其横向尺寸不受波长限制，可以任意展开。
Description
技术领域
本发明属于微波真空电子器件领域，具体涉及一种适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构,该慢波结构可以利用多个带状电子束工作。
背景技术
慢波结构作为契伦柯夫电真空器件的核心部件，它是电子注与电磁波相互作用的重要场所。因为尺寸共渡效应，当器件的工作频率上升至毫米波及太赫兹频段时，慢波结构的几何尺寸会急剧减小,这使得慢波结构所能利用的电流大为降低、并且加工变得困难，再加上耦合阻抗减小，波长变短导致群聚束团的有效电荷量下降，这些因素会导致整管的输出功率大幅度下降。尽管增大电流密度可以提高输出功率，但是聚束技术限制了无限制增大电流密度。在亚毫米波和太赫兹频段，目前能够利用的最大电流密度在400A/cm2至600A/cm2，即使利用这样的电流密度，该频段管子的饱和长度仍然较长，聚束仍然十分困难。
如果能够将慢波结构进行并联并且慢波结构之间有耦合，这时可以利用多个电子束工作，饱和管长就会大幅度缩短，效率会得到提高。目前，返波管常用的慢波结构有梯形线和矩形单栅，可用于返波管的慢波结构包括脊波导和多导体。其中，脊波导慢波结构如图1所示，其带宽宽，但是耦合阻抗较低，两个脊波导单元并联的慢波结构示意图如图5所示，其结构色散曲线图如图6所示，工作模式Mode2与非工作模式Mode1上截止频率相同，下截止频率不同，在每周期相移180°～280°之间工作会引起强烈的模式竞争。可以看到，脊波导慢波结构并联时，会存在很多高阶强竞争模式，管子无法稳定工作。想要解决模式竞争就需将工作频段向每周期相移增大的方向移动，这会导致结构尺寸更小而无法加工。矩形单栅结构示意图如图2所示，是目前毫米波太赫兹返波管常用的慢波结构，它的耦合阻抗在离开栅表面之后急剧衰减，只有当电子束离栅表面很近时才能有效工作，其横向尺寸受到波长限制，无法任意展开，因此不能并联工作。梯形线慢波结构结构示意图如图3所示，多导体慢波结构的正视图如图4所示，这两者的耦合阻抗较高，经过并联以后，所存在的模式复杂，并且其并联结构的色散基本特性与脊波导近似，模式之间竞争强烈，无法多注稳定工作。因此，已有慢波结构的并联不是耦合度低就是存在严重的模式竞争。
为了构建一种能够并联工作的慢波结构，本发明综合脊波导慢波结构、矩形单栅慢波结构、多导体慢波结构和梯形线慢波结构，提出一种在该频段尺寸较大、易于加工且耦合阻抗易于调节的新型慢波结构。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构。
本发明采用的技术方案如下：
一种适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构，所述慢波结构包括矩形波导和脊，以及脊与矩形波导之间形成的带状电子注通道，其特征在于，所述脊连接波导内部下底面和上顶面，由n个单元脊沿竖直方向或水平方向周期性排列得到，所述单元脊包括两个固定连接的金属栅齿，其中，一个金属栅齿的厚度等于矩形波导的厚度，另一个金属栅齿的厚度小于矩形波导厚度。
进一步地，当n个单元脊沿竖直方向周期性排列时，n个单元脊和矩形波导的中心轴线共线。
进一步地，当n个单元脊沿水平方向周期性排列时，n个单元脊沿矩形波导的中心轴线对称设置。
进一步地，单元脊的数目n≥1。
进一步地，所述金属栅齿均为矩形且两块金属栅齿宽度相等。
进一步地，所述金属栅齿的宽度小于波导内部宽度且大于零。
进一步地，所述上栅齿的高度应当小于单元脊高度的二分之一，用于调节波导结构的耦合阻抗。
进一步地，所述单元脊利用紫外光刻工艺(UV-LIGA)加工得到。
一种毫米波太赫兹频段返波管高频系统，包括高频结构、波导端口和电子注端口，其特征在于，所述高频结构由上述慢波结构周期重复排列而成，并采用同轴线匹配方式作为输入输出系统。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明结构结合了脊波导、矩形波导和梯形线的结构特点，形成了一种新型慢波结构。此慢波结构并联后的结构类似于多导体慢波结构，其优点在于耦合阻抗易于调节，通过适当的参数设计，可实现较大的耦合阻抗；其耦合阻抗在远离栅表面的方向上衰减速度较低，可以实现较大面积电子束，进而实现更高的输出功率且其横向尺寸不受波长限制，可以任意展开。
2.本发明的双周期的单元脊结构并联后构成的多电子注返波管慢波结构，与脊波导并联慢波结构相比，工作模式Mode2与非工作模式Mode1上下截止频率相同，在数值上近乎于同一个模式，这样可以有效地解决模式竞争问题，使管子稳定工作。
3.本发明可以通过调节慢波结构尺寸可以改变工作频率、带宽和工作电压，其中，调节矩形波导的高度可以调节通带的上截止频率，与之呈反相关关系；调节上栅齿的高度可以改变通带的上截止频率，与之呈正相关关系，同时极大地影响了耦合阻抗，与耦合阻抗呈反相关关系，有效改善慢波结构的耦合阻抗。
4.此慢波结构几何结构简单，易于加工。当工作频率达到1THz以上，慢波结构几何尺寸最小可达几微米。受加工工艺限制，结构复杂的慢波结构几乎无法加工，但此结构可拆分为上下两部分利用UV-LIGA(紫外光刻工艺)加工再组合，很好地解决了太赫兹频段结构加工难的问题。
附图说明
图1为脊波导慢波结构示意图。
图2为矩形单栅慢波结构示意图。
图3为梯形线慢波结构示意图。
图4为多导体慢波结构正视图。
图5为脊波导并联慢波结构示意图。
图6为脊波导并联慢波结构色散曲线图。
图7为本发明实例1慢波结构单周期的示意图；
图中：71-矩形波导，72-上矩形栅齿，73-下矩形栅齿，74、75-带状电子注通道。
图8为采用本发明实施例1慢波结构在太赫兹返波管高频系统中内部结构示意图；
图中：81-高频结构，82-波导端口，83-电子注端口。
图9为本发明实例1的慢波结构的正视图。
图10为本发明实例1的慢波结构的侧视图。
图11为本发明实例2的沿竖直方向并联慢波结构示意图。
图12为本发明实例2的沿水平方向并联慢波结构示意图。
图13为本发明实例1的慢波结构色散曲线图。
图14为本发明实例1的慢波结构归一化相速曲线图。
图15为本发明实例2中沿水平方向并联慢波结构色散曲线图。
图16为本发明实例2中沿水平方向并联多电子注返波管的慢波结构归一化相速曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
图7为本发明实例1的慢波结构单周期示意图，即慢波结构单元示意图。如图所示，本发明包括矩形波导71，矩形波导内部下底面和上顶面沿轴向周期排列延伸的矩形栅齿72和73构成的单元脊，以及在单元脊左右两侧的带状电子注通道74和75。矩形波导的主要作用是支撑内部结构和传输电磁波；电子注通道为矩形波导71内部空余的部分，由空气填充，上述结构构成完整的慢波结构。具体的尺寸标注如图9、图10所示(图9是该结构的正视图，图10为该结构的左侧视图)。该慢波结构的矩形波导内腔宽w1＝0.350mm和高h1＝0.200mm，周期pitch＝0.063mm,下栅齿宽w2＝0.160mm、高h2＝0.143mm和厚度t1＝0.013mm。上栅齿宽w3＝w2＝0.160mm、高h3＝0.057mm和厚度t2＝pitch＝0.063mm。
利用CST STUDIO SUITE软件仿真计算实例1中慢波结构的色散特性，其结果如图13、图14所示，从图中可以看出，负一次空间谐波的频率范围为753-1038GHz，通过计算，在1026GHz频点信号对应的归一化相速为0.304，耦合阻抗为10Ω。
图8是图7所示慢波结构在太赫兹返波管高频系统中内部结构的具体实施方式结构图。为了更好地展示高频系统的内部结构，这里省略了外部的金属波导结构层，以实线框代替。图中81是高频结构的主要部分，是由实施例1中的单元脊沿水平方向周期重复排列而成，为发生注波互作用的主要场所；82是波导端口，用于信号输出，由于结构的特殊性，这里采用同轴线匹配方式，可以得到较好的传输特性，83是电子注端口。该返波管与相速同步的电子注的加速电压为26kV。
实施例2
图11、图12为并联耦合多电子注返波管慢波结构示意图。图中所示结构即为实施例1中单元脊结构沿竖直方向或沿水平方向并联形成。这种并联方式形成的多注耦合慢波结构可以缩短饱和管长，增加输出功率。其带宽、色散特性及耦合阻抗都与图7所示的慢波结构相似。图15、图16为沿水平方向并联耦合的多电子注返波管慢波结构的色散曲线和归一化相速曲线，图中显示此慢波结构Mode1频带范围为747-1038GHz，Mode2频带范围为755-1038GHz，Mode3频带范围为755-1279GHz，Mode4频带范围为755-1279GHz。(注：后文中带(并)表示并联结构，带(单)表示实例1中慢波结构)对比图13，Mode2(并)与图11中的Mode1(单)相同，Mode1(并)是Mode2(并)的简并模式。Mode3(并)、Mode4(并)和Mode2(单)的关系同样如此，因此工作模式是Mode2。在1026GHz处的归一化相速为0.305,此特性验证了前文中提到的多级耦合慢波结构拥有与单级慢波结构相似的带宽、色散等特性。且从图15可以看出，Mode1(并)和Mode2(并)上下截止频率相同(忽略因为计算精度带来的误差)，可以很好地抑制简并模式带来的模式竞争。这为高性能毫米波返波管的设计加工提供了新的思路。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (7)
1.一种适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构，所述慢波结构包括矩形波导和脊，以及脊与矩形波导之间形成的带状电子注通道，其特征在于，所述脊连接波导内部下底面和上顶面，所述脊由n个单元脊沿竖直方向或水平方向周期性排列得到，所述单元脊包括两个上下固定连接的金属栅齿，所述金属栅齿均为矩形且两块金属栅齿宽度相等，其中，上金属栅齿的厚度等于矩形波导的厚度，下金属栅齿的厚度小于矩形波导厚度，其中，n为单元脊数目，n≥1。
2.根据权利要求1所述的适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构，其特征在于，当n个单元脊沿竖直方向周期性排列时，n个单元脊和矩形波导的中心轴线共线。
3.根据权利要求1所述的适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构，其特征在于，当n个单元脊沿水平方向周期性排列时，n个单元脊沿矩形波导的中心轴线对称设置。
4.根据权利要求1～3任一权利要求所述的适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构，其特征在于，所述金属栅齿的宽度小于波导内部宽度且大于零。
5.根据权利要求1～3任一权利要求所述的适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构，其特征在于，所述上金属栅齿的高度小于单元脊高度的二分之一。
6.根据权利要求1～3任一权利要求所述的适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构，其特征在于，所述单元脊利用紫外光刻工艺加工得到。
7.一种毫米波太赫兹频段返波管高频系统，包括高频结构、波导端口和电子注端口，其特征在于，所述高频结构由权利要求1～3任一项所述的适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构周期重复排列得到。
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