CN110620027A - 一种小型化高耦合阻抗的互补开口谐振环慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化高耦合阻抗的互补开口谐振环慢波结构，属于真空微波电子、加速器和切伦科夫粒子探测器等技术领域。该慢波结构包括金属圆波导和其内部沿轴线填充的CSRR单元阵列，其中互补开口谐振环具有较强的谐振特性，可以通过改变互补开口谐振环的横向尺寸实现任意的工作频率。本发明的慢波结构与同频段(S波段)的传统慢波结构相比，其横截面积只有同频段传统耦合腔慢波结构的1/8～1/9，而耦合阻抗为S波段传统耦合腔慢波结构的2～4倍。由于该慢波结构具有小型化和高耦合阻抗的特点，故本发明能够应用于小型化、高效率和高功率的线性注真空电子器件、加速器和切伦科夫粒子探测器等领域当中。

Description

一种小型化高耦合阻抗的互补开口谐振环慢波结构
技术领域
本发明属于真空微波电子器件、加速器和切伦科夫粒子探测器等技术领域，具体涉及一种具有小型化和高耦合阻抗的互补开口谐振环慢波结构。
背景技术
真空电子器件由于其独特的功率、效率、带宽和增益的优势，成为加速器、微波加热、通讯、雷达、电子战和高功率微波武器等领域的核心器件。而行波管作为应用最广泛的真空电子器件，被广泛的应用于航空航天、医疗、工业和粒子探测技术等方面。慢波结构作为行波管的核心部分，其特性直接决定了行波管的整体性能，包括工作带宽、电子效率、增益和输出功率等。传统的螺旋线慢波结构和耦合腔慢波结构被广泛的应用于各类型的行波管当中，并在带宽和功率容量上各有优势。然而，随着科学技术的不断发展，特别是半导体器件的高速发展，除了传统的带宽、功率、效率和增益等目标参数以外，结构的小型化和易集成化也逐渐成为真空电子器件的一个重要指标。而基于传统慢波结构的真空电子器件在小型化和电子效率上受到尺寸共渡效应和结构中特定模式分布的制约，在与半导体器件相互集成的方向上面临着巨大的挑战。
常规的真空电子器件的尺寸受到尺寸共渡效应的限制，其横向直径或长度约为半个波长。以典型的S波段3GHz的耦合腔行波管为例，其耦合腔的半径约为22mm，波长直径比λ/D(用于表征器件横向尺寸的量，比值越大说明器件的小型化越明显)为2.27；另一方面，耦合腔行波管相对于螺旋线行波管带宽窄而耦合阻抗相对较高，从而在注波互作用过程中具有高的电子效率和输出功率。即便如此，耦合腔行波管的耦合阻抗也不会超过1000Ω(典型值为300-500Ω)(V.L.Christie,L.Kumar,and N.Balakrishnan,“Improved equivalentcircuit model of practical coupled-cavity slow-wave structures for TWTs,”Microw.Opt.Technol.Lett.,vol.35,no.4,pp.322-326,2002.)。2014年，电子科大的发明专利(段兆云，王彦帅，黄祥等，一种小型全金属慢波器件，申请号：201410280414)在S波段实现了一种全金属的慢波器件，其横向尺寸为传统耦合腔行波管的1/2～1/3，耦合阻抗约为1200欧姆，与传统的耦合腔慢波结构相比，在横向尺寸和耦合阻抗方面具有一定的优势。本发明专利与传统耦合腔慢波结构相比，在尺寸上的小型化极为明显(其横截面积为S波段传统耦合腔慢波结构的1/9)，并且具有更高的耦合阻抗(超过1900欧姆，为S波段传统耦合腔慢波结构2～4倍)。即使与现阶段的全金属小型化慢波结构相比，本发明专利的小型化和高耦合阻抗的优势也极为突出。
为实现器件的小型化，其中一个关键因素在于实现慢波结构的小型化，并且对于同类型的耦合腔慢波结构来讲，不会降低其耦合阻抗，即在小型化的基础上获得较高的耦合阻抗，从而使得基于该慢波结构的电真空器件具有更为紧凑的结构、较高的电子效率和高功率的优势。一个重要的解决方案就是摈弃传统的慢波结构，采用新的思想设计慢波结构。经研究发现，互补开口谐振环(CSRR)的基模谐振频率主要取决于其内部高频电流的分布路径，而与外部加载的波导的横向尺寸无关。即理论上可以通过改变CSRR上高频电流的路径从而可以设计工作在任意频段的慢波结构。本发明所提出的互补开口谐振环慢波结构特点在于：1)设计了一种全新的极小型化的CSRR单元结构；2)由CSRR单元和圆波导组成的互补开口谐振环慢波结构具有小型化(λ/D为6.6)和高耦合阻抗(整个色散通带内大于1900Ω)的特点，且该特点显著优于常规的慢波结构；3)该互补开口谐振环慢波结构的电子注通道外侧可加载一段漂移管，调节工作频率、带宽和电磁波的相速度；4)该慢波结构的0次空间谐波为前向波，并且能够传播慢电磁波。
发明内容
本发明的目的旨在解决现有技术当中慢波结构的尺寸的问题，并提高其耦合阻抗。本发明创造性的将CSRR单元阵列填充在金属圆波导当中，提出了一类可应用于线性注微波真空电子器件、加速器和切伦科夫粒子探测器的小型化、高耦合阻抗慢波结构。
本发明所采用的技术方案：
一种小型化高耦合阻抗互补开口谐振环慢波结构，包括金属圆波导7和其内部沿轴线填充的CSRR单元阵列。
CSRR单元阵列包括周期排布的N个CSRR单元，其中N为正整数；所述CSRR单元包括从内至外同心设置的圆形金属内环2、中间开口环3、圆形金属外环4，金属内环2中间为电子注通道；所述金属内环2和金属外环4之间连接有第一金属桥1，所述中间开口环3和金属外环4之间连接有第二金属桥5；所述金属外环4外侧与圆波导7紧密贴合；所述第一金属桥1与第二金属桥5位于同一直径上。
所述CSRR单元的中间开口环的数量可以根据目标频率的需要增加或减少。当中间开口环的数量大于等于2时，相邻两中间开口环的开口位置旋转180度。
进一步地，调节所述中间开口环3的开口大小，可用于调节慢波结构的工作频率。
进一步地，所述金属内环2内侧还设置有紧密贴合的内部漂移管，相邻两内部漂移管之间设置有间隙，用于扩展慢波结构的带宽。
与常规的耦合腔慢波结构相比，本发明提出的互补开口谐振环慢波结构是由CSRR单元阵列和金属圆波导组成，与常规的耦合腔慢波结构具有明显的差异。本发明通过在圆波导当中加载CSRR单元阵列，理论上可以任意减小慢波结构的横向尺寸。
本发明的有益效果：本发明通过将CSRR单元阵列引入到圆波导当中，解决了传统慢波结构横向尺寸大的问题，从而减小了慢波结构的重量和体积；并且该互补开口谐振环慢波结构具有较高的耦合阻抗的特点，从而使得基于该慢波结构的电真空器件具有较高的电子效率。进一步地，通过在CSRR单元的金属内环上增加一段内部漂移管，可以扩展该慢波结构的带宽。该互补开口谐振环慢波结构对于发展高效率和小型化的真空电子器件、加速器和切伦科夫粒子探测器具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述互补开口谐振环慢波结构示意图，其中(a)为具有1个中间开口环的CSRR单元的正视结构图；(b)为实施例整体慢波结构的剖视图；
图2为实施例的CSRR单元结构上的高频电流分布示意图；
图3为实施例的一个周期的慢波结构的轴向电场剖面图；
图4为实施例慢波结构的仿真色散曲线图；
图5为实施例的耦合阻抗曲线图；
图6为实施例的归一化相速度曲线图；
图7为实施例CSRR单元的扩展结构，其中(a)为带有内部漂移管的CSRR单元结构示意图；(b)为0个中间开口环的CSRR单元，(c)为具有2个中间开口环的CSRR单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
本实施例提供了一种小型化、高耦合阻抗的互补开口谐振环慢波结构，其结构示意图如图1所示，其中(a)为CSRR单元结构示意图，(b)为互补开口谐振环慢波结构的整体结构示意图(含一个中间开口环且无内部漂移管)。
本实施例慢波结构由金属圆波导7和其内填充的N个CSRR单元结构组成，CSRR单元包括从内至外同心设置的圆形金属内环2、中间开口环3、圆形金属外环4，金属内环2中间为电子注通道；所述金属内环2和金属外环4之间连接有第一金属桥1，所述中间开口环3和金属外环4之间连接有第二金属桥5；所述金属外环4外侧与圆波导7紧密贴合；所述第一金属桥1与第二金属桥5位于同一直径上。如图1所示，本实施例中，CSRR单元结构尺寸为：CSRR单元的电子注通道6的半径r1为2mm，圆形金属内环2的宽度w1为1.5mm；中间开口环3的内径r2为4.5mm，中间开口环3的宽度w2为1mm；圆形金属外环4的内径r3为6.5mm，圆形金属外环4宽度w3为1mm；第一金属桥1和第二金属桥5的宽度t均为1mm。该慢波结构的圆波导直径D为15mm，慢波结构的周期长度p为14mm，CSRR单元的厚度h为1mm。
基于图1结构的CSRR单元和慢波结构的参数，通过对单元周期的本征模仿真得到CSRR单元上的高频电流分布如图2所示，可以看到高频电流的路径沿着CSRR单元的内环、中间环和外环分布，表明可以任意改变CSRR的金属环来改变高频电流的路径，从而改变慢波结构的工作频率，即可以通过改变CSRR单元结构任意调整工作的频率范围；对应的单元周期的本征模式的场分布如图3所示，可以发现基模(第一个模式)对应的场分布为准TM模式，该模式具有较强的轴向电场，表明该慢波结构具有较高的耦合阻抗。基模对应的色散如图4所示，可以发现，该实施例的慢波结构周期长度p为14mm，慢波结构的内直径D为15mm时，其色散频带为3.075GHz-3.192GHz；耦合阻抗曲线如图5所示，在整个色散带内的耦合阻抗大于1900欧姆。这表明，本发明提出的互补开口谐振环慢波结构的横截面积为传统耦合腔慢波结构的1/8～1/9，而耦合阻抗为传统耦合腔慢波结构的2-4倍。进一步得到其归一化相速度vp/c(其中vp为电磁波的相速度，c为自由空间的光速)如图6所示，可以发现在该慢波结构的0次空间谐波的相速小于光速。进一步地，在实施例CSRR单元的基础上，通过在金属内环的内侧设置有紧密贴合的内部漂移管，如图7(a)所示，可以扩展工作带宽；通过减少中间开口环的个数，如图7(b)所示，或者增加中间开口环的个数，如图7(c)所示可以调节工作频率，从而使得互补开口谐振环慢波结构工作在任意的目标频率。
综上所述，本发明提出的互补开口谐振环慢波结构具有小型化和高耦合阻抗的特点，对于利用该互补开口谐振环慢波结构发展的真空电子器件具有小型化、高电子效率和高功率的潜在优势，特别是对于发展低频段、窄带、高功率的行波管具有极为重要的应用价值。与此同时，根据目标频率的需求，通过改变CSRR单元的中间开口环的数量和开口的大小可以将慢波结构的工作频带调整到目标工作频率内；还可以根据设计目标对工作带宽的需求，在CSRR单元的内环上加载内部漂移管从而扩展其工作带宽；而对不同目标功率的需求，可以通过调节该慢波结构的周期长度来调节其色散曲线，从而使得该慢波结构具有不同的归一化相速度，即不同的电子注电压，进而来调整器件的输出功率。另外本发明所提出的慢波结构由于基波的色散曲线的0次空间谐波为前向波，故有利于发展行波管，然而，该慢波结构可以利用-1次空间谐波或者高次模工作在返波区，从而发展结构小型化的返波管。该互补开口谐振环慢波结构为发展高性能的真空电子器件、加速器和切伦科夫粒子探测器等提供了新的设计思路。

Claims (4)

1.一种小型化高耦合阻抗互补开口谐振环慢波结构，其特征在于，该结构包括金属圆波导7和其内部沿轴线填充的CSRR单元阵列；
所述CSRR单元阵列包括周期排布的N个CSRR单元，其中N为正整数；所述CSRR单元包括从内至外同心设置的圆形金属内环2、中间开口环3、圆形金属外环4，金属内环2中间为电子注通道；所述金属内环2和金属外环4之间连接有第一金属桥1，所述中间开口环3和金属外环4之间连接有第二金属桥5；所述金属外环4外侧与圆波导7紧密贴合；所述第一金属桥1与第二金属桥5位于同一直径上。
2.如权利要求1所述的一种小型化高耦合阻抗互补开口谐振环慢波结构，其特征在于，所述CSRR单元的中间开口环的数量根据目标频率的需要增加或减少；当中间开口环的数量大于等于2时，相邻两中间开口环的开口位置旋转180度。
3.如权利要求1所述的一种小型化高耦合阻抗互补开口谐振环慢波结构，其特征在于，调节所述中间开口环3的开口大小，用于调节慢波结构的工作频率。
4.如权利要求1所述的一种小型化高耦合阻抗互补开口谐振环慢波结构，其特征在于，所述金属内环2内侧还设置有紧密贴合的内部漂移管，相邻两内部漂移管之间设置有间隙。
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