CN110034005A - 一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路，包括折叠波导和电子通道，折叠波导为矩形波导沿电场面往轴向方向周期性弯曲成S型而形成的，且在垂直于轴向方向增长了一小段直波导h₁，相应的折叠波导的外圆弧的圆心向外移动δ₁的距离，内圆弧的圆心向内移动δ₂的距离，即内、外圆弧的圆心不在同一坐标点，内、外圆弧之间不再同心，其中，h₁＝δ₁+δ₂。电子通道设置于折叠波导的中轴对称线位置，且与折叠波导在轴向方向形成交叉。本发明可应用于太赫兹行波管的高频电路中，将能够提高太赫兹行波管的注波互作用效率，并提高整管输出功率，为大功率太赫兹行波管在太赫兹系统中的应用奠定坚实的器件基础。

Description

一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路

技术领域

本发明属于微波真空电子器件技术领域，尤其涉及一种太赫兹行波管放大器的慢波电路。

背景技术

太赫兹行波管因其工作频带宽和大功率输出的特点，在高分辨率太赫兹雷达、远距离高速通信和空间探测等太赫兹技术应用领域显示了巨大的潜力，并获得了中外研究学者的广泛关注。

行波管中的慢波电路是行波管注-波互作用的关键核心部件，其性能设计的好坏直接影响到行波管的输出指标。当频率工作到太赫兹频段时，行波管的互作用电路尺寸就会变得很小。传统圆型电子注的螺旋线行波管和耦合腔行波管在各自的研制过程中均遭遇了很多瓶颈和障碍。螺旋线行波管在微小尺寸参数条件下存在着功率输出和散热能力不足的问题，传统的耦合腔行波管虽然可以获得高功率输出，但带宽却比较小。

折叠波导慢波电路属于全金属结构，色散比较平坦，具有高功率容量和工作带宽较宽的特点；结构加工和装配相对简单，可以与微细加工技术紧密结合，来制作慢波结构，因此折叠波导行波管一种非常有潜力的，能够工作在太赫兹频段的小型化、大功率辐射源。

折叠波导慢波电路模型如图1所示，是由矩形波导沿电场面(矩形波导的宽边)往轴向方向周期性弯曲成S型而形成的；再在沿慢波结构的中轴对称线的位置开有圆形通孔。圆形通孔与S型周期弯曲波导在轴线方向形成交叉，圆形通孔作为电子通道传输电子能量，S型周期弯曲波导传输太赫兹波信号，这样太赫兹波信号就在折叠波导内与电子发生能量交换，获得信号的放大。

但是，由于折叠波导慢波电路属于基波为返向波的系统，如果用于行波放大，需要工作在负一次空间谐波上，因此这类慢波结构的耦合阻抗较低。根据行波管小信号理论，行波管的增益G与增益参量C³成正比；行波管的增益参量公式有：其中K_c为耦合阻抗。因此，耦合阻抗作为表征慢波电路与电子注互作用的参量，与行波管的输出增益与效率有很大的关系。根据目前已知的国内外研制出的太赫兹折叠波导行波管的实验结果，由于折叠波导慢波电路的耦合阻抗较低，导致太赫兹行波管的输出功率和互作用效率较低，这也限制了太赫兹技术的实际应用。

发明内容

为了解决上述问题，提高折叠波导慢波电路的耦合阻抗，从而提高行波管的输出功率和互作用效率，本发明提出一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路，具体的，包括折叠波导和电子通道，所述折叠波导为矩形波导沿电场面往轴向方向周期性弯曲成S型而形成的，且在垂直于轴向方向增长了一小段直波导h₁，相应的所述折叠波导的外圆弧的圆心向外移动δ₁的距离，内圆弧的圆心向内移动δ₂的距离，其中h₁＝δ₁+δ₂，即内、外圆弧的圆心不在同一坐标点，内、外圆弧之间不再同心。这样折叠波导的腔体在横向增大，腔体内的电磁场强度增加，这种变形结构使得耦合阻抗参数获得大幅度的提升。

所述电子通道设置于折叠波导的中轴对称线位置，且与折叠波导在轴向方向形成交叉，使得电子与太赫兹波发生互作用，使得太赫兹波信号获得放大。

进一步的，设所述折叠波导的直波导窄边长度为b，直波导之间的间距为2r_c，则

外圆弧的圆弧半径R_out：

R_out＝b+r_c，

内圆弧的圆弧半径R_in：

进一步的，所述电子通道为圆形通孔。

进一步的，所述折叠波导的外圆弧与折叠波导的直波导平滑过渡连接，这种结构能够使太赫兹波在波导内传输时的反射较小，降低了整个慢波电路的注波系数，也使得慢波电路中高频特性的损耗参数降低，相应的提高了整管的注波互作用效率。

本发明的有益效果在于：本发明可应用于太赫兹行波管的高频电路中，将能够提高太赫兹行波管的注波互作用效率，并提高整管输出功率，为大功率太赫兹行波管在太赫兹系统中的应用奠定坚实的器件基础。

附图说明

图1是传统的折叠波导慢波电路模型图；

图2是实施例1的新型折叠波导慢波电路模型图；

图3是实施例1的新型折叠波导慢波电路的结构尺寸参数；

图4是新型变形折叠波导慢波电路的色散特性曲线与常规折叠波导之间的对比图；

图5是新型变形折叠波导慢波电路的耦合阻抗曲线与常规折叠波导之间的对比图；

图6是新型变形折叠波导慢波电路的衰减常数曲线与常规折叠波导之间的对比图；

附图标记：1-折叠波导，2-电子通道，11-直波导。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2所示，一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路，包括折叠波导1和电子通道2，折叠波导1为矩形波导沿电场面往轴向方向周期性弯曲成S型而形成的，且在垂直于轴向方向增长了一小段直波导h₁，相应的折叠波导1的外圆弧的圆心向外移动δ₁的距离，内圆弧的圆心向内移动δ₂的距离，其中h₁＝δ₁+δ₂，即内、外圆弧的圆心不在同一坐标点，内、外圆弧之间不再同心。这样折叠波导1的腔体在横向增大，腔体内的电磁场强度增加，这种变形结构使得耦合阻抗参数获得大幅度的提升。电子通道2设置于折叠波导1的中轴对称线位置，且与折叠波导1在轴向方向形成交叉，使得电子与太赫兹波发生互作用，使得太赫兹波信号获得放大。具体的，电子通道2设置为圆形通孔。

如图3所示，原来内外圆弧的圆心重合的坐标点为O，折叠波导1经过变形后，外圆弧的圆心坐标点向上移动到O'，向上移动的距离为δ₁，其圆弧半径为R_out；内圆弧的圆心坐标点向下移动到O”，向下移动的距离为δ₂，其圆弧半径为R_in。图3中，b为折叠波导1的直波导窄边长度，2r_c为直波导之间的间距，h为变形前的直波导高度，h₁为变形后增加的一段直波导高度，R_b为电子通道2的半径。根据各个结构尺寸之间的相互关系，可以得到外圆弧的圆弧半径R_out＝b+r_c，内圆弧的圆弧半径

此外，折叠波导1的外圆弧与折叠波导1的直波导11平滑过渡连接，这种结构能够使太赫兹波在波导内传输时的反射较小，降低了整个慢波电路的注波系数，也使得慢波电路中高频特性的损耗参数降低，相应的提高了整管的注波互作用效率。

变形之后的折叠波导1其内外圆弧之间的区域变大了，形成的腔体能够使得电场强度增强，根据耦合阻抗的公式其中E_zn为第n次空间谐波在z方向的电场分量幅值，因此可以使变形后的折叠波导1耦合阻抗增加，提高太赫兹行波管的注波互作用效率，并提高整管输出功率。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上：

在G波段频率内，设定结构尺寸(单位：mm)：a＝0.76，b＝0.15，r_c＝0.075，h₁＝0.02，δ₁＝0.02，δ₂＝0.02，R_b＝0.12，其中a为折叠波导1的直波导宽边长度，利用三维电磁仿真软件对实施例1的变形太赫兹折叠波导慢波电路进行建模。经过仿真计算，获得其色散特性、耦合阻抗和衰减常数等结果，并与常规未变形的折叠波导慢波电路的高频特性参数进行对比，如图4-6所示。

从图4的色散特性对比曲线来看，变形折叠波导与常规折叠波导相比，其归一化相速的变化并不很大，说明其慢波电路的工作带宽变化并不明显，仍然能够在很宽的频率范围进行工作。

从图5的耦合阻抗对比曲线来看，变形折叠波导与常规折叠波导相比，耦合阻抗的提升比较明显，数值比原来平均增加了28％。

从图6的衰减常数对比曲线来看，变形折叠波导与常规折叠波导相比，衰减常数反而减低了，数值比原来平均减低了6％。

上述结果说明通过变形折叠波导的改进，明显提高了慢波电路的耦合阻抗，降低了慢波电路的衰减常数，这能够进一步提高行波管的注-波互作用效率和整管增益，提高了太赫兹行波管的输出功率，为大功率太赫兹行波管在太赫兹系统中的应用奠定坚实的器件基础。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。

Claims (4)

1.一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路，其特征在于，包括折叠波导和电子通道，所述折叠波导为矩形波导沿电场面往轴向方向周期性弯曲成S型而形成的，且在垂直于轴向方向增长了一小段直波导h₁，相应的所述折叠波导的外圆弧的圆心向外移动δ₁的距离，内圆弧的圆心向内移动δ₂的距离，即内、外圆弧的圆心不在同一坐标点，内、外圆弧之间不再同心；其中，h₁＝δ₁+δ₂；

所述电子通道设置于折叠波导的中轴对称线位置，且与折叠波导在轴向方向形成交叉。

2.根据权利要求1所述的一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路，其特征在于，设所述折叠波导的直波导窄边长度为b，直波导之间的间距为2r_c，则

外圆弧的圆弧半径R_out：

R_out＝b+r_c，

内圆弧的圆弧半径R_in：

3.根据权利要求1所述的一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路，其特征在于，所述电子通道为圆形通孔。

4.根据权利要求1所述的一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路，其特征在于，所述折叠波导的外圆弧与折叠波导的直波导平滑过渡连接。