CN110060911B - 一种宽频带高增益的慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频带高增益的慢波结构，包括第一、二行波型慢波结构以及其间的驻波型慢波结构，将传统的驻波型慢波结构与行慢波结构相结合，创造出一种新型的互作用慢波结构。在第一行波型慢波结构中，对输入电磁信号进行预调制，使电子注携带电磁信号中的信息，然后将电子注送入驻波型慢波结构中进行进一步调制，所携带的信息被进一步放大，最后电子注在第二行波型慢波结构中激励起电磁信号并进一步进行注‑波互作用，被放大的电磁信号由第二行波慢波结构输出。本发明在传统波慢波结构中引入驻波型慢波结构，有效缩短了原有慢波结构互作用电路部分的尺寸，利用驻波型慢波结构互作用电路尺寸短、增益高和行波型慢波结构频带宽的优势，从而实现宽频带和高增益的发明目的。

Description

一种宽频带高增益的慢波结构

技术领域

本发明属于微波电真空器件技术领域，更为具体地讲，涉及一种宽频带高增益的慢波结构。

背景技术

行波管和速调管作为应用领域广泛的微波功率放大器件，在军用和民用领域均具有种类非常丰富的产品。

行波管由于其无可替代的宽频带特点，成为应用广泛的微波器件。速调管作为一种高功率、高增益和高效率的驻波场真空电子器件，在科学研究、国防建设和工业领域获得了广泛的研究。

目前速调管中应用广泛的扩展互作用速调管，由于采用多间隙谐振腔作为高频电路，相比其他微波器件具有特性阻抗高、在短距离内具有高增益等特点，受到科研人员的青睐。与行波管相比，扩展互作用速调管的互作用电路极短，对电子注的群聚和调制作用更强，但其腔体电磁信号响应带宽较窄。行波管具有较宽的工作带宽，但在相同的工作频率和互作用长度条件下，其增益一般远小于使用驻波型慢波结构的速调管。

慢波结构作为行波管和速调管的核心部分，作用是降低在其中传播的电磁波的相速度，使电磁波与电子注保持同步，以获得有效的注波互作用。

随着频率提高到太赫兹频段，现有的慢波结构无法满足宽频带、高增益的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种宽频带高增益的慢波结构，以实现太赫兹频段下宽频带电磁信号的高增益放大。

为实现上述发明目的，本发明宽频带高增益的慢波结构，其特征在于，包括：

第一行波型慢波结构，从始端的电磁信号输入端输入电磁信号，与始端的电子注通道入口输入的电子注进行预调制，电磁信号到达第一行波型慢波结构末端后在电磁信号输出端被吸收衰减，而电子注由于被电磁信号调制而携带电磁信号中的信息并从第一行波型慢波结构末端输出；

驻波型慢波结构，第一行波型慢波结构末端输出的电子注输入到驻波型慢波结构中，电子注在驻波型慢波结构中激励起新的电磁场，而电磁场又反作用于电子注，使电子注进一步被调制，其中所携带的信息被进一步放大，然后，电子注进入第二行波型慢波结构；

第二行波型慢波结构，输入的电子注在其中激励起电磁信号并进一步进行注-波互作用，最后，被放大的电磁信号由第二行波慢波结构的末端电磁信号输出端输出。

本发明的目的是这样实现的。

本发明宽频带高增益的慢波结构包括第一、二行波型慢波结构以及其间的驻波型慢波结构，将传统的驻波型慢波结构与行慢波结构相结合，创造出一种新型的互作用慢波结构。在第一行波型慢波结构中，对输入电磁信号进行预调制，使电子注携带电磁信号中的信息，然后将电子注送入驻波型慢波结构中进行进一步调制，所携带的信息被进一步放大，最后电子注在第二行波型慢波结构中激励起电磁信号并进一步进行注-波互作用，被放大的电磁信号由第二行波慢波结构输出。本发明在传统波慢波结构中引入驻波型慢波结构，有效缩短了原有慢波结构互作用电路部分的尺寸，利用驻波型慢波结构互作用电路尺寸短、增益高和行波型慢波结构频带宽的优势，从而实现宽频带和高增益的发明目的。

附图说明

图1是本发明宽频带高增益的慢波结构一具体实施方式结构示意图；

图2是图1所示宽频带高增益的慢波结构在注-波互作用方向中心位置垂直截面图；

图3是本发明注-波互作用结果一具体实例图；

图4是本发明实施例的注-波互作用的输出功率随工作频率改变的结果图；

图5是本发明实施例的注-波互作用的增益随工作频率改变的结果图；

图6是与本发明实施例工作频率相同的曲折波导行波管的注-波互作用结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明宽频带高增益的慢波结构一具体实施方式结构示意图。

在本实施例中，如图1所示，宽频带高增益的慢波结构包括第一行波型慢波结构1、驻波型慢波结构2以及第二行波型慢波结构3。

从第一行波型慢波结构1始端的电磁信号输入端RFPort in输入电磁信号，与始端的电子注通道入口EB in输入的电子注进行预调制，电磁信号到达第一行波型慢波结构1末端后在电磁信号输出端RFPort out被吸收衰减，而电子注由于被电磁信号调制而携带电磁信号中的信息并从第一行波型慢波结构1末端输出；

第一行波型慢波结构1末端输出的电子注输入到驻波型慢波结构2中，电子注在驻波型慢波结构2中激励起新的电磁场，而电磁场又反作用于电子注，使电子注进一步被调制，其中所携带的信息被进一步放大，然后，电子注进入第二行波型慢波结构3；

输入的电子注在第二行波型慢波结构3中激励起电磁信号并进一步进行注-波互作用，最后，被放大的电磁信号由第二行波慢波结构3的末端电磁信号输出端RFPort out输出。

在本实施例中，如图1、2所示，本发明宽频带高增益的慢波结构的前后两段为行波慢波结构，中间段为驻波型慢波结构。在本实施例中，行波慢波结构为交错双栅慢波结构，驻波型慢波结构采用多间隙谐振腔慢波结构。

在本实施例中，如图1、2所示，第一行波慢波结构1末端输出的电子注由驻波型慢波结构2的第一电子漂移通道201到达多间隙谐振腔202。在本实施例中，多间隙谐振腔202有三个，之间由电子漂移通道连接，最后电子注从第二电子漂移通道203输入到第二行波型慢波结构3中。

在本实施例中，将行波型慢波结构与驻波型慢波结构相结合，利用驻波型慢波结构中多间隙谐振腔的高阻抗，可在短距离内获得高增益，行波型慢波结构的宽频特性，从而实现慢波结构的性能提升。相对于传统的行波慢波结构或驻波型慢波结构，本发明具有更高的增益-带宽积。另一方面，行波型慢波结构的互作用电路尺寸大，而将具有分布式驻波场型的多间隙谐振腔引入行波电路，可有效地缩短互作用电路尺寸，有利于器件的小型化，对于太赫兹微波电子器件的小型化和集成化具有开创性的意义。同时，可以提高慢波结构的整体效率。

图3是本发明注-波互作用结果一具体实例图。

在本实施例中，如图3所示，输入功率Pin为11.3mW的电磁信号，在220GHz处输出功率达到200W，增益为42.4dB，对应的电子注效率为4.76％，本发明宽频带高增益的慢波结构具有很高的增益。

图4是本发明实施例的注-波互作用的输出功率随工作频率改变的结果图。

在本实施例中，如图4所示，输出功率大于50W的带宽达到10GHz。

图5是本发明实施例的注-波互作用的增益随工作频率改变的结果图。

在本实施例中，如图5所示，3dB增益带宽为7.4GHz。

从图4、5来看本发明宽频带高增益的慢波结构具有很高的带宽。

图6是与本发明实施例工作频率相同的曲折波导行波管的注-波互作用结果图。

在本实施例中，如图6所示，本发明宽频带高增益的慢波结构效率指标明显高于曲折波导行波管(在220GHz处，只有67.28W)，且对应的互作用长度不超过40mm，远小于完整的行波管电路长度，且增益远高于普通行波管。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种宽频带高增益的慢波结构，其特征在于，包括：

第一行波型慢波结构，从始端的电磁信号输入端输入电磁信号，与始端的电子注通道入口输入的电子注进行预调制，电磁信号到达第一行波型慢波结构末端后在电磁信号输出端被吸收衰减，而电子注由于被电磁信号调制而携带电磁信号中的信息并从第一行波型慢波结构末端输出；

驻波型慢波结构，第一行波型慢波结构末端输出的电子注输入到驻波型慢波结构中，电子注在驻波型慢波结构中激励起新的电磁场，而电磁场又反作用于电子注，使电子注进一步被调制，其中所携带的信息被进一步放大，然后，电子注进入第二行波型慢波结构；

第二行波型慢波结构，输入的电子注在其中激励起电磁信号并进一步进行注-波互作用，最后，被放大的电磁信号由第二行波型慢波结构的末端电磁信号输出端输出。

2.根据权利要求1所述的宽频带高增益的慢波结构，其特征在于，所述行波型慢波结构为交错双慢波结构，驻波型慢波结构采用多间隙谐振腔慢波结构；

第一行波型慢波结构末端输出的电子注由驻波型慢波结构的第一电子漂移通道到达多间隙谐振腔；多间隙谐振腔慢波结构有三个多间隙谐振腔，之间由电子漂移通道连接，最后电子注从第二电子漂移通道输入到第二行波型慢波结构中。

Images