CN110729160A - 一种双通道交错栅慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双通道交错栅慢波结构，包括矩形波导，所述矩形波导上设置有2排矩形栅，上下两排矩形栅沿周期方向交错排列，所述矩形栅的高度超出矩形波导高度的一半，所述矩形栅内设置有用于贯穿矩形波导的矩形通道，上排矩形栅内设置的矩形通道的底部与下排矩形栅的顶部齐平，下排矩形栅内设置的矩形通道的顶部与上排矩形栅的底部齐平，上排矩形通道、下排矩形通道形成双电子注通道。本发明通过在在传统交错双栅慢波结构的基础上通过增大矩形栅的高度使原本交错栅的天然电子注通道消失，同时设置2排用于贯穿矩形波导和矩形栅的矩形通道形成上排和下排的双电子注通道，有效提高了耦合阻抗，增大了输出功率和电子效率。

Description

一种双通道交错栅慢波结构
技术领域
本发明涉及微波电真空器件技术领域，具体涉及一种双通道交错栅慢波结构。
背景技术
太赫兹频段是当前电子科学技术领域的研究的热点，它在公共安全、环境监测、生物医学、军事领域等领域具有广泛的用途,其中太赫兹辐射源的研究则是太赫兹科学技术领域的重中之重。行波管作为众多传统真空电子器件中应用最为广泛的大功率辐射源，，具有大功率、高效率、高增益、宽频带和长寿命等特点，广泛应用于毫米波雷达、制导、通信微波遥感、辐射测量等领域，也被赞誉为武器装备的“心脏”，其性能直接决定着装备的水平，因而具有重大的研究价值。然而，随着工作频率的升高，在太赫兹频段，作为行波管核心部件的慢波结构遇到了加工困难、耦合阻抗低、反射强以及传输损耗大等关键性技术难题。因而，设计一种在太赫兹波段易加工、耦合阻抗高、散热好、宽带较宽的新型慢波结构显得尤为重要。
目前在太赫兹频段的慢波结构主要有折叠波导和交错双栅波导两种。折叠波导将矩形波导沿轴线方向按一定节距弯曲所形成的一种慢波系统，具有坚固的结构，高功率容量以及较宽的带宽，但其圆形电子注通道的加工难度较大，在太赫兹波段的传输损耗较大。矩形交错双栅慢波结构是在矩形波导两宽边内壁加载相互交错的金属矩形栅所构成的栅加载矩形波导结构，具有较宽的带宽，易于加工，具有天然的电子注通道，能够适用于带状电子注，互作用面积大，散热性好，功率容量高，但它具有较强的反射和较大的传输损耗，且由于纵向电场较弱，交错双栅慢波结构的耦合阻抗偏低，从而导致了行波管的输出功率和增益较低。
发明内容
本发明目的在于提供一种双通道交错栅慢波结构，解决现有的交错双栅慢波结构的耦合阻抗值偏低问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种双通道交错栅慢波结构，包括矩形波导，所述矩形波导上设置有2排矩形栅，上下两排矩形栅沿周期方向交错排列，所述矩形栅的高度超出矩形波导高度的一半，所述矩形栅内设置有用于贯穿矩形波导的矩形通道，上排矩形栅内设置的矩形通道的底部与下排矩形栅的顶部齐平，下排矩形栅内设置的矩形通道的顶部与上排矩形栅的底部齐平，上排矩形通道、下排矩形通道形成双电子注通道。
现有的交错栅慢波结构中，矩形栅的高度低于矩形波导高度的一半，使得2排矩形栅之间形成天然的电子注通道，具有较强的反射和较大的传输损耗，且由于纵向电场较弱，交错双栅慢波结构的耦合阻抗偏低，从而导致了行波管的输出功率和增益较低。
本发明通过将矩形栅的高度设置为超出矩形波导高度的一半，使原本交错栅的天然电子注通道消失，同时设置矩形通道用于贯穿矩形波导和矩形栅，形成上排和下排的双电子注通道，增强了电磁场和电子注之间的能量交换，从而使电磁场能够得到更有效的放大；同时双电子注通道使得在相同的阴极发射密度下具有较大工作电流，提高了输出功率，且矩形栅与电子注通道相交于其顶部，提高了耦合阻抗，弥补了传统交错栅耦合阻抗低的缺陷，有利于行波管增益和效率的提高。
因此本发明不但具有交错双栅频带宽、功率容量高、易于加工的有点，更弥补了交错栅耦合阻抗低，低增益和低输出功率的缺陷。
综上，本发明通过在在传统交错双栅慢波结构的基础上通过增大矩形栅的高度使原本交错栅的天然电子注通道消失，同时设置2排用于贯穿矩形波导和矩形栅的矩形通道形成上排和下排的双电子注通道，有效提高了耦合阻抗，增大了输出功率和电子效率，同时具有交错栅频带宽、功率容量大、散热好等优点。
同时，本发明结构简单，加工便捷，于太赫兹频带行波管尺寸非常小，因此结构的简单显得尤为重要。
进一步地，上排矩形栅与下排矩形栅交错重叠部分的高度为t，所述矩形通道垂直于周期方向的高度h1小于t，所述矩形通道垂直于周期方向的宽度w1大于矩形波导宽度w的一半。
进一步地，矩形栅沿周期方向的宽度s小于慢波结构的单周期长p的1/5。
进一步地，矩形波导的宽度w为0.88mm，慢波结构的单周期长p为0.56mm，矩形栅沿周期方向的宽度s为0.1mm，矩形通道的顶部与所在矩形栅的顶部间距t为0.14mm，矩形通道的顶部与所在矩形栅的底部间距h为0.25mm，所述矩形通道垂直于周期方向的宽度为w1为0.46mm，所述矩形通道垂直于周期方向的高度h1为0.1mm。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过在在传统交错双栅慢波结构的基础上通过增大矩形栅的高度使原本交错栅的天然电子注通道消失，同时设置2排用于贯穿矩形波导和矩形栅的矩形通道形成上排和下排的双电子注通道，有效提高了耦合阻抗，增大了输出功率和电子效率。
2、本发明结构简单，加工便捷。
3、本发明具有交错栅频带宽、功率容量大、散热好等优点。
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。在附图中：
图1为双通道交错栅慢波结构的立体图；
图2为图1的正视图；
图3为图1的右视图；
图4为本发明与传统交错双栅慢波结构的色散特性对比图；
图5为本发明与传统交错双栅慢波结构的耦合阻抗对比图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-矩形波导，2-矩形栅，3-矩形通道。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例：
如图1-图3所示，本发明提供一种双通道交错栅慢波结构，包括三部分：矩形波导1、矩形栅2和矩形通道3，材料均为高导无氧铜，矩形栅2分为上下两排，沿周期方向交错排列，且高度超出矩形波导1高度的一半，使交错双栅慢波结构上下栅之间的电子注通道消失，矩形通道3设置在矩形栅2内，两排矩形通道3分别设置于两排矩形栅2的顶端并沿周期方向贯穿矩形栅2与矩形波导1，使工作模式的场分布集中在注波互作用空间的区域，此时强场只与部分金属边界接触，从而使得损耗得到了大幅降低，另外增强了矩形栅2的相邻栅间隙中电子注方向的电磁场，促进了电磁场和电子注之间的能量交换，从而使电磁场能够得到更有效的放大。
在本实施例中，双通道交错栅慢波结构尺寸为：矩形波导的宽w为0.88mm，慢波结构的单周期长p为0.56mm，矩形栅2的宽s为0.1mm，其顶部距贯穿其的电子注通道的距离t为0.14mm，其剩余部分高度h为0.25mm，电子注通道宽w1为0.46mm，高为h1为0.1mm。
利用三维电磁仿真软件HFSS对本结构进行模拟，并与传统的交错双栅结构进行对比，所得到的仿真计算结果如图4和图5所示。
如图4所示，传统的交错双栅慢波结构工作频率范围为180-220GHz，归一化相速(相速与光速之比)为0.279-0.268；本发明的工作频率范围为180-220GHz，归一化相速范围为0.268-0.265，保证了工作频段以及工作电压与传统交错双栅结构基本相同，从而有利于后续比较。
如图5所示，传统的交错双栅慢波结构耦合阻抗在3.1-2.1Ω之间，而本发明的耦合阻抗在25-7Ω之间，可以看出本发明的耦合阻抗在工作频率范围内比传统交错双栅结构的耦合阻抗更高，以200GHz为例，传统交错双栅结构耦合阻抗约为2.1Ω，本发明耦合阻抗为11.2Ω，提高了4倍以上，说明以本发明新型慢波结构为核心的微波电真空器件能够实现更高的增益和更大的功率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双通道交错栅慢波结构，包括矩形波导(1)，所述矩形波导(1)上设置有2排矩形栅(2)，上下两排矩形栅(2)沿周期方向交错排列，其特征在于，所述矩形栅(2)的高度超出矩形波导(1)高度的一半，所述矩形栅(2)内设置有用于贯穿矩形波导(1)的矩形通道(3)，上排矩形栅(2)内设置的矩形通道(3)的底部与下排矩形栅(2)的顶部齐平，下排矩形栅(2)内设置的矩形通道(3)的顶部与上排矩形栅(2)的底部齐平，上排矩形通道(3)、下排矩形通道(3)形成双电子注通道。
2.根据权利要求1所述的一种双通道交错栅慢波结构，其特征在于，上排矩形栅(2)与下排矩形栅(2)交错重叠部分的高度为t，所述矩形通道(3)垂直于周期方向的高度h1小于t，所述矩形通道(3)垂直于周期方向的宽度w1大于矩形波导(1)宽度w的一半。
3.根据权利要求1所述的一种双通道交错栅慢波结构，其特征在于，所述矩形栅(2)沿周期方向的宽度s小于慢波结构的单周期长p的1/5。
4.根据权利要求1所述的一种双通道交错栅慢波结构，其特征在于，所述矩形波导(1)的宽度w为0.88mm，慢波结构的单周期长p为0.56mm，矩形栅(2)沿周期方向的宽度s为0.1mm，矩形通道(3)的顶部与所在矩形栅(2)的顶部间距t为0.14mm，矩形通道(3)的顶部与所在矩形栅(2)的底部间距h为0.25mm，所述矩形通道(3)垂直于周期方向的宽度为w1为0.46mm，所述矩形通道(3)垂直于周期方向的高度h1为0.1mm。
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