CN110828262B - 一种非半圆双耳形折叠波导慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非半圆双耳形折叠波导慢波结构，包括有彼此交错分布的多个栅体、以及由各栅体限定的包括直波导段和弯曲波导连接段的多个几何周期性结构的折叠波导，所述慢波结构的中轴线位置处包括有电子注通道；所述弯曲波导连接段包括外弧边界C_out1的第一弧形段和外弧边界C_out2的第二弧形段；所述外弧边界C_out1和外弧边界C_out2为由呈半圆弧形弯曲波导连接段外弧边界以对应的栅体中心线为中线向两侧隆起形成。本发明可改变现有半圆形折叠波导内部场强分布，提升慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

Description

一种非半圆双耳形折叠波导慢波结构

技术领域

本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种非半圆双耳形折叠波导慢波结构。

背景技术

慢波结构互作用电路为微波真空电子器件的核心部分，降低在其中传输电磁波的相速度与电子注相速同步，实现电子注与微波能量交换。在短毫米波及太赫兹频段，全金属慢波结构折叠波导具有机械强度高、散热好、功率容量大、频带宽、易于加工以及输能耦合结构相对简单等优点，特别是折叠波导慢波结构是简单的二维结构，与微加工技术相兼容，因此，折叠波导慢波结构被广泛应用与研究。

如附图1所示，现有半圆形折叠波导慢波结构是将折叠波导中矩形波导连接段的外边界沿电场面弯曲，组成一系列直波导段和半圆形弯曲波导连接段的几何周期结构，电子注通道为圆柱形结构，位于半圆形折叠波导慢波结构的纵向中轴线上，其中直波导段的宽边长度和窄边长度分别用a和b表示，慢波结构的几何周期为2p，直波导段的长度为h，电子注通道的半径为r_c。图2为单周期半圆形折叠波导慢波结构的剖面图，为了减小行波反射，波导横截面尺寸通常不发生突变，半圆形弯曲波导连接段的内外边界都为半圆弧形，内外边界的两个半圆弧圆心点位置重合且半径差值与直波导段的窄边长度一致均为b，即起止点切线均与对应的直波导段壁重合。

在短毫米及太赫兹频段，常规半圆形折叠波导慢波结构的耦合阻抗较低，电子注与电磁波互作用效率低，高频损耗大，这将会降低器件的增益、功率及效率等技术指标，在一定程度上限制了这类慢波结构发挥最大性能。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的至少一个目的在于提供一种非半圆双耳形折叠波导慢波结构。以改变现有半圆形折叠波导内部场强分布，提升慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

根据本发明的一个方面，本发明提供一种非半圆双耳形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述慢波结构包括有彼此交错分布的多个栅体、以及由各栅体限定的包括直波导段和弯曲波导连接段的多个几何周期性结构的折叠波导，所述慢波结构的中轴线位置处包括有电子注通道；

所述弯曲波导连接段包括外弧边界C_out1的第一弧形段和外弧边界C_out2的第二弧形段；

所述外弧边界C_out1和外弧边界C_out2为由呈半圆弧形弯曲波导连接段外弧边界以对应的栅体中心线为中线向两侧隆起形成。

此外，优选地方案是，所述第一弧形段的外弧边界C_out1与第二弧形段外弧边界C_out2相对于所对应的栅体中心线呈对称设置。

此外，优选地方案是，所述第一弧形段外弧边界C_out1的圆心O_out1位于由呈半圆形弯曲波导连接段外弧边界所对应的圆心向上垂直偏移Y_out距离后再向左水平偏移X_out距离的位置；

第二弧形段外弧边界C_out2的圆心O_out2位于由呈半圆形弯曲波导连接段外弧边界所对应的圆心向上垂直偏移Y_out距离后再向右水平偏移X_out距离的位置。

此外，优选地方案是，

定义，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为2p；

所述第一弧形段外弧边界C_out1对应的半径R_out1的长度以及所述第二弧形段外弧边界C_out2对应的半径R_out2的长度均为：

此外，优选地方案是，所述第一弧形段外弧边界C_out1的靠近第二弧形段的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段边壁起止点重合；

所述第二弧形段外弧边界C_out2的靠近第一弧形段的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段边壁起止点重合。

此外，优选地方案是，所述第一弧形段包括内弧边界C_in1，所述第二弧形段包括内弧边界C_in2；

所述内弧边界C_in1和内弧边界C_in2为由呈半圆弧形弯曲波导连接段内弧边界在对应的栅体中心线的位置向电子注通道的方向隆起形成。

此外，优选地方案是，所述第一弧形段的内弧边界C_in1与第二弧形段内弧边界C_in2相对于所对应的栅体中心线呈对称设置。

此外，优选地方案是，所述第一弧形段内弧边界C_in1的圆心O_in1位于由呈半圆形弯曲波导连接段内弧边界所对应的圆心向下垂直偏移Y_in距离后再向左水平偏移X_in距离的位置；

第二弧形段内弧边界C_in2的圆心O_in2位于由呈半圆形弯曲波导连接段内弧边界所对应的圆心向下垂直偏移Y_in距离后再向左水平偏移X_in距离的位置。

此外，优选地方案是，

定义，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为2p；

所述第一弧形段内弧边界C_in1对应的半径R_in1的长度以及所述第二弧形段内弧边界C_in2对应的半径R_in2的长度均为：

此外，优选地方案是，所述第一弧形段内弧边界C_in1的靠近第二弧形段的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段边壁起止点重合；

所述第二弧形段内弧边界C_in1的靠近第一弧形段的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段边壁起止点重合。

本发明的有益效果如下：

1、首先与传统的半圆形折叠波导慢波结构相比较，本发明提供的非半圆双耳形折叠波导慢波结构通过对波导连接段外弧边界结构样式的改进，减小了慢波结构的带内相光速，增大了波导连接段的内腔体积，改变了折叠波导内部的场强分布，有效增加了慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

此外，本发明还通过结合利用对波导连接段内弧边界结构样式的改进，在慢波结构带内相光速比幅值变化不大的情况下，使得慢波结构轴向耦合阻抗得到整体提高，在85GHz-100GHz频带内，轴向耦合阻抗可提高40％以上，在100GHz-110GHz频带内，轴向耦合阻抗可提高50％以上。

2、与现有的外边界为优弧结构的折叠波导慢波结构相比较，本发明提供的非半圆双耳形折叠波导慢波结构可有效减小折叠波导纵向边界尺寸(即在直波导段长度方向上的边界尺寸)，在不减小波导连接段的内腔体积的情况下，充分利用折叠波导轴向方向上相邻两几何周期直波导段之间的空间，改变折叠波导内部的场强分布，增加慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

此外，本发明还通过结合利用对波导连接段内弧边界结构样式的改进，相较于内边界为劣弧结构折叠波导慢波结构，使得波导连接段的内腔体积得到进一步增大，为改变折叠波导内部的场强分布，增加慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升提供了更多选择空间。

3、本发明在毫米波及太赫兹波段的轴向耦合阻抗得到明显提升，耦合阻抗直接影响电子束与电磁波的互作用效率，因此，采用本发明提供的折叠波导慢波结构可以有效地提升器件的增益、效率等性能。

4、另外，相比于传统的半圆形折叠波导慢波结构，本发明提供的慢波结构的第一止带宽度从4.5GHz增加到13.5GHz，能够更容易实现无带边振荡的设计。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有半圆形折叠波导慢波结构的结构示意图。

图2示出现有的单周期半圆形折叠波导慢波结构的结构图。

图3示出本发明所提供非半圆双耳形折叠波导慢波结构的结构示意图。

图4示出本发明所提供非半圆双耳形折叠波导单几何周期的结构示意图。

图5示出本发明所提供慢波结构和现有半圆形折叠波导慢波结构的相光速比(Vp/c)对比曲线图。

图6示出本发明所提供慢波结构和现有半圆形折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗对比曲线图。

图7示出现有半圆形折叠波导慢波结构的布里渊图。

图8示出本发明所提供非半圆双耳形折叠波导慢波结构的布里渊图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了改进现有半圆形折叠波导慢波结构电子注与电磁波互作用效率，实现提升器件功率和效率的发明目的，

结合图3和图4所示，具体地，本发明提供一种非半圆双耳形折叠波导慢波结构，所述慢波结构包括有彼此交错分布的多个栅体、以及由各栅体限定的包括直波导段11和弯曲波导连接段12的多个几何周期性结构的折叠波导1，所述慢波结构的中轴线位置处包括有电子注通道2。

需要说明的是，如图所示，本发明提供的非半圆双耳形折叠波导慢波结构是在现有半圆形折叠波导慢波结构基础上，针对半圆形折叠波导的呈半圆弧形弯曲波导连接段的进一步改进，本领域人员可以理解的是，折叠波导通常包括有彼此交错分布的多个上栅体101和多个下栅体102、直波导段11和弯曲波导连接段12由各上栅体101和下栅体102限定成多个几何周期性结构。基于折叠波导的结构样式，结合图4本发明所提供非半圆双耳形折叠波导单几何周期的结构示意图，本实施方式也对应的以单几何周期的非半圆双耳形折叠波导结构进行举例说明，但本领域技术人员可以理解的是，本发明中对弯曲波导连接段的结构进行的改进包括位于电子注通道上方位置的弯曲波导连接段以及下方位置的弯曲波导连接段。

为了便于描述，本发明定义，图中，以a表示波导的宽边长，以b表示直波导段的窄边长，以h表示直波导段的高度，电子注通道半径表示为r_c，慢波结构的几何周期表示为2p。本发明针对的是周期性结构中两个直波导段具有相同的互作用距离的折叠波导慢波结构的改进，也就是说，如图3中所示出的，相邻两个直波导段对应的波导窄边长度b相等。

相较于现有技术，本发明所述弯曲波导连接段结构改进在于，所述弯曲波导连接段12包括外弧边界C_out1的第一弧形段121和外弧边界C_out2的第二弧形段122；所述外弧边界C_out1和外弧边界C_out2为由呈半圆弧形弯曲波导连接段外弧边界以对应的栅体中心线为中线向两侧隆起形成。优选地，所述第一弧形段121的外弧边界C_out1与第二弧形段122外弧边界C_out2相对于所对应的栅体中心线呈对称设置。

在上述描述中，所述的栅体包括与电子注通道2上方位置弯曲波导连接段12对应的上栅体101，以及与电子注通道2下方位置弯曲波导连接段12对应的下栅体102，也就是说当以电子注通道2上方位置弯曲波导连接段12作为描述对象时，所述的栅体实际表述的是上栅体101，当以电子注通道2下方位置弯曲波导连接段12作为描述对象时，所述的栅体实际表述的是下栅体102。

与传统的半圆形折叠波导慢波结构相比较，本发明提供的非半圆双耳形折叠波导慢波结构通过对波导连接段外弧边界结构样式的改进，减小了慢波结构的带内相光速，增大了波导连接段的内腔体积，改变了折叠波导内部的场强分布，有效增加了慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

与现有的外边界为优弧结构的折叠波导慢波结构相比较，本发明提供的非半圆双耳形折叠波导慢波结构可有效减小折叠波导纵向边界尺寸(即在直波导段长度方向上的边界尺寸)，在不减小波导连接段的内腔体积的情况下，充分利用折叠波导轴向方向上相邻两几何周期直波导段之间的空间，改变折叠波导内部的场强分布，增加慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升。

在一个具体地实施例中，当本发明提供的非半圆双耳形折叠波导慢波结构在以现有半圆形折叠波导慢波结构为基础，针对半圆形折叠波导的呈半圆弧形弯曲波导连接段做出改进时，作为参照举例的说明，本发明以现有外弧边界呈半圆形的弯曲波导连接段作为基础，对本发明第一弧形段121的外弧边界C_out1，以及第二弧形段122的外弧边界C_out2的结构进行限定，但不限定于此。具体地，所述第一弧形段121外弧边界C_out1的圆心O_out1位于由呈半圆形弯曲波导连接段外弧边界所对应的圆心O向上垂直偏移Y_out距离后再向左水平偏移X_out距离的位置；

第二弧形段122外弧边界C_out2的圆心O_out2位于由呈半圆形弯曲波导连接段外弧边界所对应的圆心O向上垂直偏移Y_out距离后再向右水平偏移X_out距离的位置。

优选地方案是，所述第一弧形段121外弧边界C_out1对应的半径R_out1的长度以及所述第二弧形段122外弧边界C_out2对应的半径R_out2的长度均为：

此外，本发明中，所述第一弧形段121外弧边界C_out1的靠近第二弧形段122的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段11边壁起止点重合；所述第二弧形段122外弧边界C_out2的靠近第一弧形段121的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段11边壁起止点重合。以保证慢波结构的整体性，降低工艺难度，便于加工制作。

在一个优选地实施例中，本发明还对弯曲波导连接段12的内弧边界进行了改进，具体地，结合图示结构，所述第一弧形段121包括内弧边界C_in1，所述第二弧形段122包括内弧边界C_in2；所述内弧边界C_in1和内弧边界C_in2为由呈半圆弧形弯曲波导连接段内弧边界在对应的栅体中心线的位置向电子注通道的方向隆起形成。为了便于加工制作，优选地，所述第一弧形段121的内弧边界C_in1与第二弧形段122内弧边界C_in2相对于所对应的栅体中心线呈对称设置。

同上述的弯曲波导连接段的外弧边界，在一个具体地实施例中，当本发明提供的非半圆双耳形折叠波导慢波结构在以现有半圆形折叠波导慢波结构为基础，针对半圆形折叠波导的呈半圆弧形弯曲波导连接段做出改进时，作为参照举例的说明，本发明以现有内弧边界呈半圆形的弯曲波导连接段作为基础，对本发明第一弧形段的内弧边界C_in1，以及第二弧形段的内弧边界C_in2的结构进行限定，但不限定于此。具体地，所述第一弧形段121内弧边界C_in1的圆心O_in1位于由呈半圆形弯曲波导连接段内弧边界所对应的圆心O向下垂直偏移Y_in距离后再向左水平偏移X_in距离的位置；第二弧形段122内弧边界C_in2的圆心O_in2位于由呈半圆形弯曲波导连接段内弧边界所对应的圆心O向下垂直偏移Y_in距离后再向左水平偏移X_in距离的位置。

在一个具体地实施例中，所述第一弧形段121内弧边界C_in1对应的半径R_in1的长度以及所述第二弧形段122内弧边界C_in2对应的半径R_in2的长度均为：

此外，为了保证慢波结构的整体性，降低工艺难度，便于加工制作，本发明中，所述第一弧形段121内弧边界C_in1的靠近第二弧形段122的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段11边壁起止点重合；所述第二弧形段122内弧边界C_in1的靠近第一弧形段121的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段11边壁起止点重合。

与传统的半圆形折叠波导慢波结构相比较，本发明通过在改进弯曲波导连接段外弧边界的基础上，结合利用对弯曲波导连接段内弧边界结构样式的改进，在慢波结构带内相光速比幅值变化不大的情况下，使得慢波结构轴向耦合阻抗得到整体提高，在85GHz-100GHz频带内，轴向耦合阻抗可提高40％以上，在100GHz-110GHz频带内，轴向耦合阻抗可提高50％以上。

该实施例提供的技术方案，相较于内边界为劣弧结构折叠波导慢波结构，使得波导连接段的内腔体积得到进一步增大，为改变折叠波导内部的场强分布，增加慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率有效提升提供了更多选择空间。

结合图5所示，在利用三维电磁软件CST建立折叠波导模型，通过对本发明提供的慢波结构特性研究可得到以下结论：当弯曲波导连接段第一弧形段外弧边界C_out1圆心O_out1以及第二弧形段外弧边界C_out2圆心O_out2向上偏移且分别再向左、右偏移时，慢波结构带内相光速比随之减小，轴向耦合阻抗增加。当弯曲波导连接段第一弧形段内弧边界C_in1圆心O_in1以及第二弧形段内弧边界C_in2圆心O_in2向下偏移且分别再向左、右偏移时，慢波结构带内相光速比随之增加，轴向耦合阻抗增加。当弯曲波导连接段的外弧边界以及内弧边界都如上所述进行改进时，慢波结构带内相光速比的增减受弯曲波导连接段外弧边界圆心以及内弧边界圆心偏移量的共同影响，轴向耦合阻抗提升幅值也随上述偏移量增加。

当折叠波导设定为尺寸(单位：mm)a＝1.9，b＝0.3，p＝0.66，h＝0.6，r_c＝0.22时，在此基础上，外弧边界圆心的向上偏移量y_out＝0.2mm，再向栅体中心线左、右偏移的偏移量x_out＝0.2mm，构成第一弧形段外弧边界C_out1圆心O_out1以及第二弧形段外弧边界C_out2圆心O_out2。内弧边界圆心的向下偏移y_in＝0.05mm，再向栅体中心线左、右偏移的偏移量x_in＝0.05mm，构成第一弧形段内弧边界C_in1圆心O_in1以及第二弧形段内弧边界C_in2圆心O_in2，从而形成本发明提供的非半圆双耳形折叠波导慢波结构。计算仿真得到本发明所提供慢波结构和现有半圆形折叠波导慢波结构的相光速比(Vp/c)对比曲线图如图5所示，慢波结构带内相光速比幅值变化不大。

图6示出本发明所提供慢波结构和现有半圆形折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗对比曲线图，由图6所知，相比于现有半圆形折叠波导慢波结构，本发明所提供慢波结构的轴向耦合阻抗整体提高，在85GHz-100GHz频带内，轴向耦合阻抗提高40％以上，在100GHz-110GHz频带内，轴向耦合阻抗提高50％以上。在毫米波及太赫兹波段，本发明所提供慢波结构的轴向耦合阻抗得到明显提升，耦合阻抗直接影响电子束与电磁波的互作用效率，因此，采用本发明所提供慢波结构可以有效地提升器件的增益、效率等性能。

另外，由附图7示出的现有半圆形折叠波导慢波结构的布里渊图，与由附图8示出的本发明所提供的非半圆双耳形折叠波导慢波结构的布里渊图对比可知，在720°相移处本发明所提供慢波结构的第一止带宽度从4.5GHz增加到13.5GHz，相比于现有的半圆形折叠波导慢波结构，更容易实现无带边振荡的设计。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种非半圆双耳形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述慢波结构包括有彼此交错分布的多个栅体、以及由各栅体限定的包括直波导段和弯曲波导连接段的多个几何周期性结构的折叠波导，所述慢波结构的中轴线位置处包括有电子注通道；

所述弯曲波导连接段包括外弧边界C_out1的第一弧形段和外弧边界C_out2的第二弧形段；

所述外弧边界C_out1和外弧边界C_out2为由呈半圆弧形弯曲波导连接段外弧边界以对应的栅体中心线为中心线向两侧隆起形成。

2.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述第一弧形段的外弧边界C_out1与第二弧形段外弧边界C_out2相对于所对应的栅体中心线呈对称设置。

3.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述第一弧形段外弧边界C_out1的圆心O_out1位于由呈半圆形弯曲波导连接段外弧边界所对应的圆心向上垂直偏移Y_out距离后再向左水平偏移X_out距离的位置；

第二弧形段外弧边界C_out2的圆心O_out2位于由呈半圆形弯曲波导连接段外弧边界所对应的圆心向上垂直偏移Y_out距离后再向右水平偏移X_out距离的位置。

4.根据权利要求3所述的慢波结构，其特征在于，

定义，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为2p；

所述第一弧形段外弧边界C_out1对应的半径R_out1的长度以及所述第二弧形段外弧边界C_out2对应的半径R_out2的长度均为：

5.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述第一弧形段外弧边界C_out1的靠近第二弧形段的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段边壁起止点重合；

所述第二弧形段外弧边界C_out2的靠近第一弧形段的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段边壁起止点重合。

6.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述第一弧形段包括内弧边界C_in1，所述第二弧形段包括内弧边界C_in2；

所述内弧边界C_in1和内弧边界C_in2为由呈半圆弧形弯曲波导连接段内弧边界在对应的栅体中心线的位置向背离电子注通道的方向隆起形成。

7.根据权利要求6所述的慢波结构，其特征在于，所述第一弧形段的内弧边界C_in1与第二弧形段内弧边界C_in2相对于所对应的栅体中心线呈对称设置。

8.根据权利要求6所述的慢波结构，其特征在于，所述第一弧形段内弧边界C_in1的圆心O_in1位于由呈半圆形弯曲波导连接段内弧边界所对应的圆心向下垂直偏移Y_in距离后再向左水平偏移X_in距离的位置；

第二弧形段内弧边界C_in2的圆心O_in2位于由呈半圆形弯曲波导连接段内弧边界所对应的圆心向下垂直偏移Y_in距离后再向左水平偏移X_in距离的位置。

9.根据权利要求8所述的慢波结构，其特征在于，

定义，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为2p；

所述第一弧形段内弧边界C_in1对应的半径R_in1的长度以及所述第二弧形段内弧边界C_in2对应的半径R_in2的长度均为：

10.根据权利要求6所述的慢波结构，其特征在于，所述第一弧形段内弧边界C_in1的靠近第二弧形段的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段边壁起止点重合；

所述第二弧形段内弧边界C_in2的靠近第一弧形段的一端起止点位于所对应的栅体中心线上，另一端起止点与对应的直波导段边壁起止点重合。

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