CN111081509B

CN111081509B - 一种矩形折叠波导慢波结构

Info

Publication number: CN111081509B
Application number: CN201911293376.5A
Authority: CN
Inventors: 张小青; 蔡军; 冯进军
Original assignee: No 12 Research Institute Of Cetc
Current assignee: No 12 Research Institute Of Cetc
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: CN111081509A

Abstract

本发明公开了一种矩形折叠波导慢波结构，所述慢波结构包括形成多个几何周期结构的直波导段和波导连接段，以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；定义，所述波导连接段的外侧顶壁与直波导段外侧壁的交汇边为外轴心O_out；在慢波结构的中轴线延伸方向上，所述波导连接段上包括有形成在波导连接段外侧至少一侧端部上的以外轴心O_out为圆心轴的扇形外凸耳结构。本发明提供的矩形折叠波导慢波结构通过增添的凸耳结构改变现有矩形直角折叠波导内部场强分布，提升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。

Description

一种矩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，涉及一种矩形折叠波导慢波结构。

背景技术

慢波结构是一种周期结构。根据Floquet定理，电场可以表示为一系列空间谐波和的形式。大多数空间谐波具有变慢的相速度，相速度与频率的关系称为色散关系，当电磁波某一次空间谐波与电子注满足同步条件时，电子注和电磁场之间会发生互作用，通过能量交换放大电磁波。慢波结构主要应用于行波型微波真空电子器件，也可作为谐振腔用于扩展互作用型驻波器件。慢波结构的作用是降低在其中传输电磁波的相速度，使之与电子注保持同步，以获得注波之间有效的互作用，其属于微波真空电子器件的核心部分。具有不同的色散曲线的慢波结构具有不同的性能，能够开发出不同类型的真空电子器件，这些器件由于色散所具有的电磁特性而具有不同的性能，满足不同的应用需求。

在短毫米波及太赫兹频段，真空器件的慢波电路降低电磁波的相速度与电子注相速同步，电子注与微波进行能量交换，实现对微波信号放大。全金属矩形直角折叠波导慢波结构机械强度高、散热好、功率容量大、频带宽、易于加工且与微加工技术相兼容等优点，被国内外电真空研究单位广泛研究。

参见图1和图2所示，现有矩形直角折叠波导慢波结构是将矩形波导沿电场面弯曲组成周期结构，电子注通道10为圆柱形结构，位于折叠波导慢波结构的纵向中轴线上，半径标记为r_c。矩形直角折叠波导20的宽边尺寸通常用a表示，根据直波导段201和波导连接段202的不同，直波导段201对应的波导窄边尺寸通常用b表示，波导连接段202对应的波导窄边尺寸通常用d表示，h为直波导段高度，p为几何周期。附图2为现有的单周期矩形直角折叠波导慢波结构的结构图，电子注通道10和矩形直角折叠波导20内部为真空，其余为金属材料。在短毫米及太赫兹频段，现有矩形直角折叠波导慢波结构轴向耦合阻抗较低，电子注与电磁波互作用效率不高，这将限制器件增益、功率及效率的性能提升，在一定程度上影响了这类慢波结构应用。

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矩形折叠波导慢波结构。以改变现有矩形直角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，本发明提供一种矩形折叠波导慢波结构，所述慢波结构包括形成多个几何周期结构的直波导段和波导连接段，以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；

定义，所述波导连接段的外侧顶壁与直波导段外侧壁的交汇边为外轴心O_out；

在慢波结构的中轴线延伸方向上，所述波导连接段上包括有形成在波导连接段外侧至少一侧端部上的以外轴心O_out为圆心轴的扇形外凸耳结构。

此外，优选地方案是，所述波导连接段上包括有分别形成在波导连接段外侧两侧端部上的以外轴心O_out为圆心轴的两个扇形外凸耳结构。

此外，优选地方案是，所述扇形外凸耳结构由慢波结构的壳体向外凸起形成。

此外，优选地方案是，周期性结构中的两个直波导段具有相同的互作用距离。

此外，优选地方案是，定义，所述波导连接段的内侧底壁与直波导段内侧壁的交汇边为内轴心O_in；

在慢波结构的中轴线延伸方向上，所述波导连接段上包括有形成在波导连接段内侧至少一侧端部上的以内轴心O_in为圆心轴的扇形内凸耳结构。

此外，优选地方案是，所述波导连接段上包括有分别形成在波导连接段内侧两侧端部上的以内轴心O_in为圆心轴的两个扇形内凸耳结构。

此外，优选地方案是，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为p，所述扇形外凸耳结构的半径为r_out；

所述扇形外凸耳结构的半径r_out的长度在(p-2b)/8至(p-2b)/5之间。

此外，优选地方案是，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为p，所述扇形内凸耳结构的半径为r_in；

所述扇形内凸耳结构的半径r_in的长度在(p-2b)/8至(p-2b)/5之间。

此外，优选地方案是，所述扇形内凸耳结构由慢波结构的壳体向内凸起形成。

此外，优选地方案是，所述扇形内凸耳结构的外侧边缘与所述电子注通道之间不相接触。

本发明的有益效果如下：

1、相较于现有技术，本发明提供的矩形折叠波导慢波结构通过增添的凸耳结构，改变了现有矩形直角折叠波导内部场强分布，提升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。

2、本发明提供的慢波结构相光速比总体有所降低，在频率高端降低程度更大，较低的相光速比对应较低的工作电压，在设计中有利于实现器件的小型化。

3、本发明提供的带凸耳结构的慢波结构相比于现有矩形直角折叠波导慢波结构，轴向耦合阻抗整体得到提高，在频带内轴向耦合阻抗增加幅度可在25％以上，频带高端轴向耦合阻抗提升更高。在其它条件不变条件下，本发明提供的慢波结构能够实现更高的增益和更高的功率和效率。

4、另外，提供对更宽频率范围的色散分析显示，本发明提供的慢波结构的第一止带宽度从2GHz提高到6GHz，对比现有矩形直角折叠波导慢波结构更容易实现无带边振荡的设计结果。

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示出现有矩形直角折叠波导慢波结构的结构示意图。

图2示出现有的单周期矩形直角折叠波导慢波结构的结构图。

图3示出本发明所提供矩形折叠波导慢波结构的结构示意图。

图4示出本发明所提供矩形折叠波导单几何周期的结构示意图。

图5示出本发明所提供矩形折叠波导慢波结构和现有矩形直角折叠波导慢波结构的色散曲线对比图。

图6示出本发明所提供矩形折叠波导慢波结构和现有矩形直角折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗对比曲线图。

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。

为了提高现有矩形直角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，本发明提供一种矩形折叠波导慢波结构，结合图3和图4所示，具体地，一种矩形折叠波导慢波结构，所述慢波结构1包括形成多个几何周期结构的直波导段11和波导连接段12，以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道2；如图所示，本发明提供的矩形折叠波导慢波结构包括有彼此交错分布的多个上栅体101和多个下栅体102、以及由各上栅体101和下栅体102限定的包括直波导段11和波导连接段12的多个周期性结构的折叠波导。需要注意的是，基于矩形折叠波导的结构样式，结合图4示出本发明所提供矩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矩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，本发明中对波导连接段的结构进行的改进包括位于电子注通道2上方位置的波导连接段12以及下方位置的波导连接段12。图中，a表示波导的宽边长，b表示波导的窄边长，h为直波导段高度，电子注通道半径为r_c，p为几何周期。本发明针对的是周期性结构中两个直波导段11具有相同的互作用距离的矩形折叠波导慢波结构的改进，也就是说，图3中所示出的，波导连接段12所对应的波导窄边长度d与相邻两个直波导段11对应的波导窄边长度b相等，即矩形折叠波导是由一等窄边长度的矩形波导连续弯折形成。

为了便于描述，本发明定义，所述波导连接段12的外侧顶壁与直波导段11外侧壁的交汇边为外轴心O_out；为了实现本发明的发明目的，在本发明中，在慢波结构的中轴线延伸方向上，所述波导连接段上包括有形成在波导连接段12外侧至少一侧端部上的以外轴心O_out为圆心轴的扇形外凸耳结构121。该外凸耳结构121的外弧边界为大于半圆弧外边界的优弧外边界结构。

相较于现有技术，通过至少上述的对本发明提供的矩形折叠波导慢波结构中波导连接段的改进，使得波导连接段12的内腔得到增大，增大波导连接段12内腔后，可改变现有矩形直角折叠波导内部场强分布，提升了电子注通道2附近的场强强度，从而能够提升慢波结构的耦合阻抗幅，实现器件功率和效率的提升。

在一个实施例中，如图3以及图4所示，优选地，所述波导连接段12上包括有分别形成在波导连接段12外侧两侧端部上的以外轴心O_out为圆心轴的两个扇形外凸耳结构121。其可在不改变现有矩形直角折叠波导的其它结构尺寸的前提下，尽可能的有效增大波导连接段的内腔体积，以得到更优的内部场强分布，提升电子注通道附近的场强强度，提升慢波结构的耦合阻抗幅，实现器件功率和效率提升的效果。

结合图示结构，所述扇形外凸耳结构121由慢波结构的壳体向外凸起形成。其制作工艺简易，便于矩形折叠波导的加工制造，且不会降低各尺寸的加工精度。

由于矩形折叠波导通常装配于管壳内，如果扇形外凸耳结构121结构尺寸过大，一方面会影响其在管壳内的装配，另一方面也会无形中增大慢波结构径向方向上的结构尺寸。此外，基于慢波结构的自身的结构尺寸的限制，如果扇形外凸耳结构结构尺寸过大，在慢波结构轴向方向上，相邻两个直波导段11之间会因为扇形外凸耳结构产生干涉，不能够留出必要的上栅体101或下栅体102的结构空间，因此，所述扇形外凸耳结构121的半径r_out的长度在(p-2b)/8至(p-2b)/5之间。

结合图3和图4所示，进一步地，在一个优选地实施例中，首先定义，所述波导连接段12的内侧底壁与直波导段11内侧壁的交汇边为内轴心O_in；

在慢波结构的中轴线延伸方向上，所述波导连接段12上包括有形成在波导连接段12内侧至少一侧端部上的以内轴心O_in为圆心轴的扇形内凸耳结构122。

本实施例中，所述波导连接段12上包括有分别形成在波导连接段12内侧两侧端部上的以内轴心O_in为圆心轴的两个扇形内凸耳结构122。通过上述的对本发明提供的矩形折叠波导慢波结构中波导连接段的进一步改进，即在波导过度段包括有扇形外凸耳结构121的基础上，进一步地在波导连接段12的内侧设置扇形内凸耳结构122，可使得波导连接段12的内腔得到进一步地增大，进一步增大波导连接段内腔后，可更好地改变矩形折叠波导内部场强分布，可显著提升电子注通道附近的场强强度，从而能够大幅度提升慢波结构的耦合阻抗幅，更好地实现器件功率和效率的提升。

结合附图所示，由于矩形折叠波导慢波结构上栅体101以及下栅体102之间的距离有限，为了避免相邻两扇形内凸耳结构122之间发生干涉，或者扇形内凸耳结构122与电子注通道2之间发生干涉，优选地，所述扇形内凸耳结构122的半径r_in的长度在(p-2b)/8至(p-2b)/5之间。所述扇形内凸耳结构的外侧边缘与所述电子注通道之间不相接触。

可选地，为了简化加工工艺，便于制作，所述扇形内凸耳结构122由慢波结构的壳体向内凸起形成。

在一个实施例中，一种如图3以及图4所示的本发明所提供的矩形折叠波导慢波结构，工作在短毫米波区域，具体结构尺寸如下(单位：mm)：a＝1.9，b＝0.3，p＝1.32，h＝0.7，r_c＝0.22，r_out＝0.12，r_in＝0.12。其中，a表示波导的宽边长，b表示波导的窄边长，h为直波导段高度，电子注通道半径为r_c，p为几何周期，r_out表示扇形外凸耳结构的半径尺寸，r_in表示扇形内凸耳结构的半径尺寸。利用三维电磁软件CST建立折叠波导模型，分别对现有矩形直角折叠波导和带凸耳的矩形折叠波导进行建模仿真，并对各性能进行对比。

结合图5以及图6所示，图5示出本发明所提供矩形折叠波导慢波结构和现有矩形直角折叠波导慢波结构的色散曲线对比图。相比于现有矩形直角折叠波导慢波结构，本发明提供的矩形折叠波导慢波结构相光速比总体有所降低，在频率高端降低程度更大，较低的相光速比对应较低的工作电压，在微波真空电子技术领域的慢波结构设计中有利于实现器件的小型化。

图6示出本发明所提供矩形折叠波导慢波结构和现有矩形直角折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗对比曲线图。相比于现有矩形直角折叠波导慢波结构，本发明提供的矩形折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗整体得到提高，在频带内轴向耦合阻抗增加幅度在25％以上，频带高端轴向耦合阻抗提升更高。并且在其它条件不变条件下，以本发明提供慢波结构为互作用电路的微波电真空器因轴向耦合阻抗增加，能够实现器件更高的增益和更高的功率和效率。

另外对更宽频率范围的色散分析显示，本发明提供的矩形折叠波导慢波结构的第一止带宽度从2GHz提高到6GHz，对比现有矩形直角折叠波导慢波结构更容易实现无带边振荡的设计结果。

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

1.一种矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述慢波结构包括形成多个几何周期结构的直波导段和波导连接段，以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；

2.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述波导连接段上包括有分别形成在波导连接段外侧两侧端部上的以外轴心O_out为圆心轴的两个扇形外凸耳结构。

3.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述扇形外凸耳结构由慢波结构的壳体向外凸起形成。

4.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述慢波结构的一个几何周期结构中的相邻两个直波导段具有相同的互作用距离。

5.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，

定义，所述波导连接段的内侧底壁与直波导段内侧壁的交汇边为内轴心O_in；

6.根据权利要求5所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述波导连接段上包括有分别形成在波导连接段内侧两侧端部上的以内轴心O_in为圆心轴的两个扇形内凸耳结构。

7.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为p，所述扇形外凸耳结构的半径为r_out；

8.根据权利要求5所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，直波导段的窄边长度为b，慢波结构的几何周期长度为p，所述扇形内凸耳结构的半径为r_in；

9.根据权利要求5所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述扇形内凸耳结构由慢波结构的壳体向内凸起形成。

10.根据权利要求5所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述扇形内凸耳结构的外侧边缘与所述电子注通道之间不相接触。