CN109920712A - 一种矩形槽双栅慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形槽双栅慢波结构，包括：壳体、若干第一栅体、若干第二栅体；所述壳体内设有真空内腔；第一栅体上顶面与真空内腔上顶面固定连接，第一栅体后侧面与真空内腔后侧面固定连接，第一栅体前侧面与真空内腔前侧面固定连接；第二栅体下底面与真空内腔下底面固定连接，第二栅体后侧面与真空内腔后侧面固定连接，第二栅体前侧面与真空内腔前侧面固定连接；第一栅体上设有贯穿的第一栅体左右侧面的第一镂空区域，第二栅体上设有贯穿的第二栅体左右侧面的第二镂空区域，所有第一镂空区域和第二镂空区域结合形成电子注通道，本申请中的矩形槽双栅慢波结构能够提高耦合阻抗，并且扩宽带宽、增大结构的输出功率和电子效率。

Description

一种矩形槽双栅慢波结构

技术领域

本发明属于真空电子领域，涉及一种工作在毫米波及太赫兹波段行波管的慢波结构。

背景技术

在中小功率领域的应用中很多真空结构逐渐被不断发展的微波固态结构所替代，而在毫米波的高频部分特别是3mm(W波段)及以上的频段，固态结构的应用还很少。真空电子结构可以轻松地工作到这些频段，但是对工作在这些频段的结构研究还相对薄弱。因此对短毫米波的大功率微波真空电子结构的研究具有较高的价值和现实意义。

由于位于过渡区域，太赫兹波表现出不同于其他电磁辐射的特殊性能，其在公共安全、环境监测、生物医学、军事领域等方面有广泛的用途。真空电子结构具有很大的潜力用来实现大功率太赫兹源，以进一步对太赫兹频段进行研究，其中行波管作为一种微波功率结构，具有非常广泛的应用领域，通常来说，行波管的优点有，功率容量大、工作带宽宽、效率高、增益大等。慢波结构是行波管的核心部件，其性能直接决定着行波管的技术水平。

作为应用最广泛的一类行波管，螺旋线行波管的工作频带较宽，但主要工作在较低频段，当工作在短毫米波甚至太赫兹波段时，由于螺旋线的横向尺寸非常小，散热困难，功率容量小。因此，探索能工作在毫米波甚至更高频段且加工容易的新型全金属慢波结构，是目前行波管的一个重要发展方向。

目前在毫米波的高频部分，曲折波导和矩形栅波导为主要研究的慢波结构，但目前曲折波导慢波结构的电子注通道的加工存在着很大困难。在“Karetnikova T A，RozhnevA G， Ryskin N M，et al.Gain Analysis of a 0.2-THz Traveling-Wave Tube WithSheet Electron Beam and Staggered Grating Slow Wave Structure”(《IEEETransactions on Electron Devices》，作者:Tatiana A.Karetnikova等)一文中研究了一种G波段交错双栅慢波结构，其结构如图1所示，包括:金属壳体1及其真空内腔2，分设于真空内腔上下两面的矩形栅体3，尺寸相同的矩形栅分别在上顶面、下底面等距离分布，每两个分别位于上顶面、下底面相邻矩形栅之间沿轴线方向交错等距离分布，即同一顶面(底面)上相邻两栅间中心距为一个周期的长度，上下栅之间为电子注通道。但交错双栅慢波结构由于纵向传播方向(平行于带状电子注)的电场较弱，因而结构高频特性中的耦合阻抗较低，从而导致注波互作用效率、输出功率低，结构整体的输出率和增益差等缺陷。将该结构基本尺寸不变，每两个分别位于上顶面、下底面相邻矩形栅之间沿轴线方向不再交错而是对称分布，该结构就成为了传统矩形栅慢波结构，其结构如图2所示，但该结构存在带宽窄的缺陷。因此研制新的耦合阻抗更高且频带宽的慢波结构就具有极其重要的意义。

发明内容

本申请提出的矩形槽双栅慢波结构为一种结构简单、耦合阻抗高、频带宽的慢波结构，将能够广泛地应用于太赫兹频段行波管。本申请在交错双栅慢波结构和传统矩形栅慢波结构的基础上，提出了一种矩形槽双栅慢波结构以提高耦合阻抗，并且扩宽带宽、增大结构的输出功率和电子效率。

为实现上述发明目的，本申请提供了一种矩形槽双栅慢波结构，所述矩形槽双栅慢波结构包括：

壳体、若干第一栅体、若干第二栅体；所述壳体内设有真空内腔；第一栅体上顶面与真空内腔上顶面固定连接，第一栅体后侧面与真空内腔后侧面固定连接，第一栅体前侧面与真空内腔前侧面固定连接；第二栅体下底面与真空内腔下底面固定连接，第二栅体后侧面与真空内腔后侧面固定连接，第二栅体前侧面与真空内腔前侧面固定连接；第一栅体上设有贯穿的第一栅体左右侧面的第一镂空区域，第二栅体上设有贯穿的第二栅体左右侧面的第二镂空区域，所有第一镂空区域和第二镂空区域结合形成电子注通道，第一栅体与第二栅体的高度均大于或等于真空内腔高度的一半。

所述壳体为长方体状，所述壳体为高导无氧铜，所述第一栅体、所述第二栅体均为高导无氧铜。

进一步的，第一镂空区域具体为贯穿第一栅体的左右侧面的槽，第二镂空区域具体为贯穿第二栅体的左右侧面的槽。

进一步的，所述槽为矩形槽。

进一步的，第一栅体与第二栅体尺寸相同，并且均为长方体栅体。

进一步的，电子注通道的中心线、第一栅体的水平中线、第二栅体的水平中线位于同一竖直平面内。

进一步的，第一镂空区域将第一栅体断开为具有间隙互不相连的两个子栅体，第二镂空区域将第二栅体断开为具有间隙互不相连的两个子栅体。

进一步的，若干第一栅体均匀分布在真空内腔上顶面，若干第二栅体均匀分布在真空内腔下底面，若干第一栅体与若干第二栅体交错排列。

进一步的，除端头处外的第一栅体位于2个相邻第二栅体之间的中线上，除端头处外的第二栅体位于2个相邻第一栅体之间的中线上。

进一步的，电子注通道的中心线与真空内腔的中心线重合。

为便于本领域的技术人员理解，特将本发明相较于传统矩形栅结构扩宽带宽，而相较于交错双栅结构增大耦合阻抗的原理解释如下：

本发明在交错双栅慢波结构和传统矩形栅慢波结构基础上通过改变矩形栅的结构尺寸，使交错双栅慢波结构上下栅之间的电子注通道消失，并加入矩形槽，使真空内腔俯视图如图 4所示，与传统矩形栅慢波结构正视图相似，这样分别位于前侧面(后侧面)的相邻栅体间隔4就构成了谐振腔，这使得本发明具有了传统矩形栅耦合阻抗高的优点；本发明结构正视图如图5所示，与交错双栅慢波结构正视图相似，这样分别位于上顶面(下底面)的相邻栅体间隔5就构成了耦合腔，这使得本发明具有了交错双栅结构带宽宽的优点，因此本发明在弥补了传统矩形栅带宽不足以及交错双栅耦合阻抗不高的缺点基础上，同时具备了传统矩形栅耦合阻抗高和交错双栅宽频带的优点。同时应该说明的是，本发明与“一种新型半周期交错双栅慢波结构”(作者：蔡军等)、“一种梯形线结构慢波线”(作者：宫玉彬等)结构明显不同之处在于，在于本发明不仅进一步改变矩形栅的结构尺寸，使上下栅之间的电子注通道消失，即分别位于上顶面的栅体的底部与位于下底面的栅体顶部无高度上的间隔，更重要的是将电子注通道改设在真空内腔前后两面之间的中心位置，并从上顶面至下底面占满，这样本发明电子注通道的特殊存在使得前后侧面之间的栅体不再是均匀的，而是前后侧面两个相邻栅体对称分布，这恰恰是本发明能够具备传统矩形栅结构高耦合阻抗优点的关键所在。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

相较于传统矩形栅结构，本发明通频带带宽由176-224GHz扩宽到175-269GHz，工作频带由195-210GHz扩宽到195-225GHz；相较于交错双栅结构，在大致相同的频段内，在工作频段归一化相速(相速与光速之比)基本等同的基础上，本发明在200GHz附近本发明耦合阻抗提高约1.5欧姆。因此，本发明具有耦合阻抗高，频带宽的优点，并且可以预期输出功率及电子效率将得到提升，是比较适合太赫兹带状电子注结构。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是背景技术交错双栅慢波结构模型示意图；

图2是背景技术传统矩形栅慢波结构模型示意图；

图3是本发明矩形槽双栅慢波结构模型示意图；

图4是本发明矩形槽双栅慢波结构真空内腔俯视图；

图5是本发明矩形槽双栅慢波结构模型正视图；

图6是本发明实施例与背景技术传统矩形栅慢波结构的色散曲线对比图；

图7是本发明实施例与背景技术交错双栅慢波结构和背景技术传统矩形栅慢波结构的归一化相速与频率关系对比图；

图8是本发明实施例与背景技术交错双栅慢波结构的耦合阻抗对比图；

图中：1-壳体，2-真空内腔，3-栅体，4-前侧面(后侧面)的相邻栅体间隔，5-上顶面(下底面)的相邻栅体间隔；6-第一栅体，7-第二栅体，8-第一镂空区域，9-第二镂空区域。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图3，本申请提供了一种矩形槽双栅慢波结构，所述矩形槽双栅慢波结构包括：

壳体、若干第一栅体、若干第二栅体；所述壳体内设有真空内腔；第一栅体上顶面与真空内腔上顶面固定连接，第一栅体后侧面与真空内腔后侧面固定连接，第一栅体前侧面与真空内腔前侧面固定连接；第二栅体下底面与真空内腔下底面固定连接，第二栅体后侧面与真空内腔后侧面固定连接，第二栅体前侧面与真空内腔前侧面固定连接；第一栅体与第二栅体一一对应，第一栅体的左右侧面上设有第一镂空区域，第二栅体的左右侧面上设有第二镂空区域，所有第一镂空区域和第二镂空区域结合形成电子注通道，第一栅体与第二栅体的高度均大于或等于真空内腔高度的一半。

本实施方式以工作频率范围为195-225GHz的矩形槽双栅慢波结构为例。

设定如下具体尺寸：矩形槽双栅慢波结构单周期长度为0.522mm，栅厚度为0.113mm，即每两个真空内腔同一前侧面(后侧面)上、下相邻矩形栅之间沿轴线方向间隔0.148mm，栅的高度0.344mm，栅的宽度0.359mm，整个慢波结构高度0.688mm，前后侧面相邻两栅间隔即电子注通道截面窄边宽度0.208mm；背景技术矩形交错双栅慢波结构单周期长度为 0.5mm，栅厚度为0.1mm，栅的高度0.3mm，电子注通道高度0.2mm，慢波结构宽度0.85mm；背景技术传统矩形栅结构尺寸与背景技术交错双栅结构相同，得到三种慢波结构，然后利用三维电磁仿真软件对上述慢波结构进行仿真，获得色散曲线对比图如图6、归一化相速与频率关系对比图如图7，耦合阻抗对比图如图8。如图6所示，相较于传统矩形栅结构，本发明通频带带宽由176-224GHz扩宽到175-269GHz，如图7所示，背景技术交错双栅结构工作频率范围为185-215GHz，归一化相速(相速与光速之比)为0.268-0.27；背景技术传统矩形栅结构工作频率范围为195-210GHz，归一化相速为0.265-0.267；本发明的工作频率范围大致为 195-225GHz，归一化相速范围为0.267-0.269，这说明本发明工作频带比背景技术传统矩形栅结构宽，同时保证了工作频段以及工作电压与背景技术交错双栅结构基本相同，从而有利于后续比较。如图8所示，可以看出本发明具有比背景技术交错双栅结构更高的耦合阻抗，以 200GH为例，背景技术交错双栅结构耦合阻抗约为2.1欧姆，本发明耦合阻抗为3.6欧姆，提高了约1.5欧姆。综上所述，矩形槽双栅慢波结构比传统矩形栅结构慢波结构具有更宽的带宽，比交错双栅慢波结构具有更高的耦合阻抗，从而矩形槽双栅行波管具有更大的输出功率和电子效率，是一类优良的大功率太赫兹源。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，所述矩形槽双栅慢波结构包括：

壳体、若干第一栅体、若干第二栅体；所述壳体内设有真空内腔；第一栅体上顶面与真空内腔上顶面固定连接，第一栅体后侧面与真空内腔后侧面固定连接，第一栅体前侧面与真空内腔前侧面固定连接；第二栅体下底面与真空内腔下底面固定连接，第二栅体后侧面与真空内腔后侧面固定连接，第二栅体前侧面与真空内腔前侧面固定连接；第一栅体上设有贯穿的第一栅体左右侧面的第一镂空区域，第二栅体上设有贯穿的第二栅体左右侧面的第二镂空区域，所有第一镂空区域和第二镂空区域结合形成电子注通道，第一栅体与第二栅体的高度均大于或等于真空内腔高度的一半。

2.根据权利要求1所述的矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，所述壳体为长方体状，所述壳体为高导无氧铜，所述第一栅体、所述第二栅体均为高导无氧铜。

3.根据权利要求1所述的矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，第一镂空区域具体为贯穿第一栅体的左右侧面的槽，第二镂空区域具体为贯穿第二栅体的左右侧面的槽。

4.根据权利要求3所述的矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，所述槽为矩形槽。

5.根据权利要求1所述的矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，第一栅体与第二栅体尺寸相同，并且均为长方体栅体。

6.根据权利要求1所述的矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，电子注通道的中心线、第一栅体的水平中线、第二栅体的水平中线位于同一竖直平面内。

7.根据权利要求1所述的矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，第一镂空区域将第一栅体断开为具有间隙互不相连的两个子栅体，第二镂空区域将第二栅体断开为具有间隙互不相连的两个子栅体。

8.根据权利要求1所述的矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，若干第一栅体均匀分布在真空内腔上顶面，若干第二栅体均匀分布在真空内腔下底面，若干第一栅体与若干第二栅体交错排列。

9.根据权利要求8所述的矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，除端头处外的第一栅体位于2个相邻第二栅体之间的中线上，除端头处外的第二栅体位于2个相邻第一栅体之间的中线上。

10.根据权利要求1所述的矩形槽双栅慢波结构，其特征在于，电子注通道的中心线与真空内腔的中心线重合。