CN111128644A - 一种全金属双排渐变栅高频结构 - Google Patents

一种全金属双排渐变栅高频结构 Download PDF

Info

Publication number
CN111128644A
CN111128644A CN201911388757.1A CN201911388757A CN111128644A CN 111128644 A CN111128644 A CN 111128644A CN 201911388757 A CN201911388757 A CN 201911388757A CN 111128644 A CN111128644 A CN 111128644A
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency structure
grid
metal double
row
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911388757.1A
Other languages
English (en)
Inventor
段兆云
江胜坤
唐涛
王战亮
巩华荣
宫玉彬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201911388757.1A priority Critical patent/CN111128644A/zh
Publication of CN111128644A publication Critical patent/CN111128644A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/34—Travelling-wave tubes; Tubes in which a travelling wave is simulated at spaced gaps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J23/00—Details of transit-time tubes of the types covered by group H01J25/00
    • H01J23/16—Circuit elements, having distributed capacitance and inductance, structurally associated with the tube and interacting with the discharge
    • H01J23/24—Slow-wave structures, e.g. delay systems

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本发明提供一种全金属双排渐变栅高频结构，属于真空电子器件领域，适用于毫米波及太赫兹频段。该结构创新的设计其栅齿形状，使栅齿截面的栅底角为锐角，较常规的矩形交错双栅结构而言，在210GHz～230GHz，本发明高频结构有更高的耦合阻抗，意味着慢波结构将有更高的互作用效率；有更低的相速度，预示着采用该新型全金属双排渐变栅高频结构的行波管将可以在更低的电压下工作；该高频结构的S21绝对值更小，有更小的传输损耗，对于毫米波及太赫兹真空电子器件的发展将有重要意义。

Description

一种全金属双排渐变栅高频结构
技术领域
本发明属于真空电子器件领域，具体涉及一种全金属双排渐变栅高频结构，该高频结构工作在毫米波及太赫兹频段。
背景技术
近年来，随着毫米波及太赫兹技术的发展，毫米波及太赫兹源的研究成为了当前国际热点方向之一，并且该研究也是第五代移动通信技术(5G)乃至第六代移动通信技术(6G)快速发展的基础。常见的毫米波及太赫兹源包括固态电子器件和真空电子器件等。相比于固态电子器件，真空电子器件具有高功率、高效率、高增益和和宽工作带宽等优点。在众多的真空电子器件中，行波管是一种研究最为广泛的真空电子器件之一，在电子对抗、雷达、卫星通信、生物医学成像等领域均有重要应用前景，是一类不可或缺的毫米波及太赫兹源。行波管主要由电子枪、聚焦系统、慢波结构、输入输出耦合装置和收集极组成。慢波结构作为行波管的核心部件，其作用是降低行波管中高频信号相速，从而使得电子的速度与高频信号的相速同步，以此实现对高频信号的放大。围绕着慢波结构的研究，国内外提出了如螺旋线、耦合腔、折叠波导、矩形栅、交错双栅、正弦波导、波纹波导等慢波结构。
当器件工作在毫米波或者太赫兹频段，慢波结构的尺寸将变得非常小，更小的慢波结构在给器件带来小型化优势的同时，也给当前的加工工艺提出了更高的要求，许多在低频段广泛应用的慢波结构(如螺旋线)并不能利用现阶段的加工工艺拓展到毫米波及太赫兹频段。因此，对于当前毫米波及太赫兹行波管而言，高频结构的选择非常有限，导致太赫兹行波管的性能难以得到全面提升。在2017年，UC-Davis联合美国Communication andPower Industries(CPI)和美国Teledyne Scientific公司对共同研制的220GHz带状电子注交错双栅行波管进行了热测，在201GHz测得的最大输出功率为107W，与之对应的增益为33dB(A.Baig et al.,“Performance of a Nano-CNC machined 220-GHz traveling wavetube amplifier,”IEEE Transactions on Electron Devices,vol.64,no.5,pp.2390–2397,May 2017)。采用的交错双栅慢波结构如图1所示，为矩形波导两宽边内壁加载相互交错的竖直截面为矩形的金属栅的高频结构，上下两排金属栅之间预留的矩形电子注通道可用于传输带状电子注，使得行波管具备更高的输出功率；同时，结构相对简单，便于现有的微细加工技术制作，因而在太赫兹频段具有极大的研究优势。但这种阶梯状矩形交错双栅高频结构传输较差(即传输损耗大)和耦合阻抗不够高，这意味着太赫兹行波管很难有高的输出功率和互作用效率。因此，研究一种工作在毫米波及太赫兹频段、具有更低传输损耗和更高互作用效率，且兼具宽工作带宽、结构简单等优点的高频结构对于现阶段真空电子太赫兹源的发展具有重要意义。
发明内容
针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种全金属双排渐变栅高频结构，主要应用于行波管中。该结构创新的设计其栅齿形状，使栅齿截面的栅底角为锐角，较常规的矩形交错双栅结构而言，具有更高的耦合阻抗、更低的相速度和更小的传输损耗。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种全金属双排渐变栅高频结构，包括矩形波导，以及分设于矩形波导上下两宽边内壁且周期性排列的栅齿，上下相邻的栅齿错开间距均为半个周期p/2，所述栅齿的竖直截面包括上底边、下底边和连接上下底边的两连接边，上底边长为g，下底边长为a，高为h，其特征在于，所述下底边均设置于靠近电子注通道的一侧，所述两连接边与下底边构成的栅底角为锐角。
进一步的，所述连接边为直线，则栅齿的竖直截面为梯形，此时上底边边长g小于下底边边长a。
进一步地，所述栅齿的竖直截面为等腰梯形。
进一步地，所述连接边为曲线，则栅齿的竖直截面为双凹透镜形。
进一步地，所述双凹透镜形的上底边边长g等于下底边边长a。
本发明还提供一种行波管，包括如上所述的全金属双排渐变栅高频结构。
本发明全金属双排渐变栅高频结构中栅齿的栅底角为锐角，相比于阶梯状矩形栅齿直角栅底角或其他栅齿结构钝角栅底角，上下栅齿的尖端效应更加明显，纵向电场更强，故耦合阻抗将更大；同时，电磁波沿着梯形栅齿表面所传输的路径更长，故等效在轴向的相速度更低。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明设计的全金属双排渐变栅高频结构适用于毫米波及太赫兹频段，尤其是在210GHz～230GHz，相比于矩形交错双栅结构，该结构的耦合阻抗提高了10％以上，意味着高频结构将有更高的互作用效率；有更低的相速度，归一化相速至少下降了0.003，且归一化相速在频带内非常平坦，预示着采用该新型全金属双排渐变栅高频结构的行波管或返波管将可以在更低的电压下工作，且兼有宽工作带宽的特点；该高频结构的S21绝对值更小，在-1.4dB左右，有更小的传输损耗，因此本发明设计的高频结构对于毫米波及太赫兹真空电子器件的发展将有重要意义。
附图说明
图1为背景技术矩形交错双栅慢波结构示意图。
图2为本发明实施例1高频结构示意图；
其中，(a)为高频结构栅齿截面为梯形的整体图；(b)为未包括正X方向的矩形波导窄边壁结构示意图；(c)为Y-Z截面剖视图。
图3为本发明实施例2高频结构示意图；
其中，(a)为高频结构栅齿截面为双凹透镜形的整体图；(b)为未包括正X方向的矩形波导窄边壁结构示意图；(c)为Y-Z截面剖视图。
图4为本发明实施例1的性能测试图；
其中，(a)为耦合阻抗图；(b)为归一化相速图；(c)为传输系数S21图。
图5为本发明实施例2的性能测试图；
其中，(a)为耦合阻抗图；(b)为归一化相速图；(c)为传输系数S21图。
图中：1为矩形波导，2为矩形波导窄边内壁，3为矩形波导宽边内壁，4为栅齿，5为栅底角。
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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种全金属双排渐变栅高频结构，包括矩形波导，以及分设于矩形波导上下两宽边内壁且周期性排列的栅齿，矩形波导宽边长度为w，上下相邻的栅齿错开间距均为半个周期p/2，所述栅齿的竖直截面包括上底边、下底边和连接上下底边的两连接边，上底边长为g，下底边长为a，高为h，其特征在于，所述下底边均设置于靠近电子注通道的一侧，电子注通道的高度为b，所述两连接边与下底边构成的栅底角为锐角。
实施例1
一种全金属双排渐变栅高频结构，如图2所示，包括矩形波导1，所述矩形波导包括宽边3和窄边2，以及分设于矩形波导上下两宽边内壁且周期性排列的栅齿4，上下相邻的栅齿错开间距均为半个周期p/2，所述栅齿的竖直截面为等腰梯形，所述等腰梯形的下底边设置于靠近电子注通道的一侧，使得栅底角5为锐角。
本实施例所述高频结构工作在210GHz～230GHz频率范围时，其结构尺寸参数如下：w＝0.78mm、b＝0.15mm、h＝0.26mm、p＝0.52mm、g＝0.07mm、a＝0.14mm。仿真计算选用的高频结构材料为高导无氧铜。
通过三维电磁仿真软件对本实施例高频结构的高频特性和传输特性进行仿真计算，得到的耦合阻抗如图4(a)所示，计算结果表明，在220GHz频点，双排梯形渐变栅高频结构的耦合阻抗为7.78Ω，本发明的双排梯形渐变栅高频结构较传统的同参数设置的矩形交错双栅慢波结构的耦合阻抗提高了约10％。图4(b)为归一化相速结果图，从图中可以看到，双排梯形渐变栅高频结构的相速度低至0.295，同时，得到的归一化相速在210～240GHz频带内非常平坦，这表明本实施例高频结构有更低的工作电压的同时且兼有宽工作带宽的特点。设置本实施例高频结构的周期个数为60，并考虑到太赫兹频段的高频结构的金属损耗和表面粗糙度，将高频结构材料的电导率设置为2.2×107S/m，对该高频结构的传输特性进行了仿真计算，传输系数S21计算的结果如图4(c)所示，本发明梯形栅高频结构的S21在210GHz～230GHz频带范围内为-1.5dB左右，因此，本实施例高频结构有着较小的传输损耗。
实施例2
一种全金属双排渐变栅高频结构，如图3所示，包括矩形波导1，所述矩形波导包括宽边3和窄边2，以及分设于矩形波导上下两宽边内壁且周期性排列的栅齿4，上下相邻的栅齿错开间距均为半个周期p/2，所述栅齿的竖直截面为双凹透镜形，所述双凹透镜形的上底边和下底边相等，下底边设置于靠近电子注通道的一侧，上下底边的连接边的曲率半径为r，使得栅底角5为锐角。
本实施例所述高频结构工作在210GHz～230GHz频率范围时，其结构尺寸参数如下：w＝0.78mm、b＝0.15mm、h＝0.26mm、p＝0.52mm、r＝0.198mm、a＝0.14mm。仿真计算选用的高频结构材料为高导无氧铜。
通过三维电磁仿真软件对本实施例高频结构的高频特性和传输特性进行仿真计算，得到的耦合阻抗如图5(a)所示，计算结果表明，在220GHz频点，双排双凹透镜形渐变栅高频结构的耦合阻抗为8Ω，本发明的双排双凹透镜形渐变栅高频结构较传统的同参数设置的矩形交错双栅慢波结构的耦合阻抗提高了约13％。图5(b)为本实施例结构的归一化相速结果图，从图中可以看到，双排双凹透镜形渐变栅高频结构的相速度低至0.294，同时，得到的归一化相速在210～240GHz频带内非常平坦，这表明着本实施例高频结构有更低的工作电压的同时且兼有宽工作带宽的特点。设置本实施例高频结构的周期个数为60，并考虑到太赫兹频段的高频结构的金属损耗和表面粗糙度，将高频材料的电导率设置为2.2×107S/m，对该高频结构的传输特性进行了仿真计算，传输系数S21计算的结果如图5(c)所示，本发明双凹透镜栅高频结构的S21在210GHz～230GHz频带范围内为-1.4dB左右，因此，本实施例高频结构有着较小的传输损耗。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种全金属双排渐变栅高频结构，包括矩形波导，以及分设于矩形波导上下两宽边内壁且周期性排列的栅齿，上下相邻的栅齿错开间距均为半个周期p/2，所述栅齿的竖直截面包括上底边、下底边和连接上下底边的两连接边，上底边长为g，下底边长为a，高为h，其特征在于，所述下底边均设置于靠近电子注通道的一侧，所述两连接边与下底边构成的栅底角为锐角。
2.如权利要求1所述全金属双排渐变栅高频结构，其特征在于，所述连接边为直线，则栅齿的竖直截面为梯形，此时上底边边长g小于下底边边长a。
3.如权利要求2所述全金属双排渐变栅高频结构，其特征在于，所述栅齿的竖直截面为等腰梯形。
4.如权利要求1所述全金属双排渐变栅高频结构，其特征在于，所述连接边为曲线，则栅齿的竖直截面为双凹透镜形。
5.如权利要求4所述全金属双排渐变栅高频结构，其特征在于，所述双凹透镜形的上底边边长g等于下底边边长a。
6.一种行波管，其特征在于，包括如权利要求1～5任一权利要求所述的全金属双排渐变栅高频结构。
CN201911388757.1A 2019-12-30 2019-12-30 一种全金属双排渐变栅高频结构 Pending CN111128644A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911388757.1A CN111128644A (zh) 2019-12-30 2019-12-30 一种全金属双排渐变栅高频结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911388757.1A CN111128644A (zh) 2019-12-30 2019-12-30 一种全金属双排渐变栅高频结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111128644A true CN111128644A (zh) 2020-05-08

Family

ID=70504463

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911388757.1A Pending CN111128644A (zh) 2019-12-30 2019-12-30 一种全金属双排渐变栅高频结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111128644A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112420469A (zh) * 2020-11-09 2021-02-26 电子科技大学 一种适用于大功率工作的行波管慢波结构
CN113113278A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 电子科技大学 一种类梯形交错双栅慢波结构
CN114038729A (zh) * 2021-11-09 2022-02-11 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种新型介质-金属太赫兹慢波结构
CN114899066A (zh) * 2022-05-19 2022-08-12 电子科技大学 一种四带状注梯形线慢波结构及其应用
CN113571391B (zh) * 2021-07-14 2024-02-23 南京信息工程大学 一种基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090096378A1 (en) * 2007-10-12 2009-04-16 Barnett Larry R Traveling-Wave Tube 2D Slow Wave Circuit
CN103606504A (zh) * 2013-10-31 2014-02-26 电子科技大学 一种t形交错双栅慢波器件
CN203536356U (zh) * 2013-10-31 2014-04-09 电子科技大学 一种t形交错双栅慢波器件
CN105575745A (zh) * 2015-12-30 2016-05-11 中国电子科技集团公司第十二研究所 一种半周期交错余弦端面栅慢波结构
CN106340433A (zh) * 2016-10-18 2017-01-18 电子科技大学 一种介质嵌入的曲折金属带高频结构
CN107564786A (zh) * 2016-06-30 2018-01-09 中国科学院电子学研究所 一种折叠波导慢波系统
CN108962706A (zh) * 2018-07-12 2018-12-07 南京信息工程大学 一种介质交错双栅慢波结构
CN108987220A (zh) * 2018-06-14 2018-12-11 深圳大学 一种具有曲线轮廓的单栅慢波结构
CN109273336A (zh) * 2018-08-28 2019-01-25 深圳大学 一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090096378A1 (en) * 2007-10-12 2009-04-16 Barnett Larry R Traveling-Wave Tube 2D Slow Wave Circuit
CN103606504A (zh) * 2013-10-31 2014-02-26 电子科技大学 一种t形交错双栅慢波器件
CN203536356U (zh) * 2013-10-31 2014-04-09 电子科技大学 一种t形交错双栅慢波器件
CN105575745A (zh) * 2015-12-30 2016-05-11 中国电子科技集团公司第十二研究所 一种半周期交错余弦端面栅慢波结构
CN107564786A (zh) * 2016-06-30 2018-01-09 中国科学院电子学研究所 一种折叠波导慢波系统
CN106340433A (zh) * 2016-10-18 2017-01-18 电子科技大学 一种介质嵌入的曲折金属带高频结构
CN108987220A (zh) * 2018-06-14 2018-12-11 深圳大学 一种具有曲线轮廓的单栅慢波结构
CN108962706A (zh) * 2018-07-12 2018-12-07 南京信息工程大学 一种介质交错双栅慢波结构
CN109273336A (zh) * 2018-08-28 2019-01-25 深圳大学 一种具有正弦函数轮廓的交错栅慢波结构

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112420469A (zh) * 2020-11-09 2021-02-26 电子科技大学 一种适用于大功率工作的行波管慢波结构
CN112420469B (zh) * 2020-11-09 2022-05-03 电子科技大学 一种适用于大功率工作的行波管慢波结构
CN113113278A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 电子科技大学 一种类梯形交错双栅慢波结构
CN113113278B (zh) * 2021-04-15 2022-04-19 电子科技大学 一种类梯形交错双栅慢波结构
CN113571391B (zh) * 2021-07-14 2024-02-23 南京信息工程大学 一种基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构
CN114038729A (zh) * 2021-11-09 2022-02-11 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种新型介质-金属太赫兹慢波结构
CN114038729B (zh) * 2021-11-09 2023-09-05 电子科技大学长三角研究院(湖州) 一种介质-金属太赫兹慢波结构
CN114899066A (zh) * 2022-05-19 2022-08-12 电子科技大学 一种四带状注梯形线慢波结构及其应用
CN114899066B (zh) * 2022-05-19 2023-04-07 电子科技大学 一种四带状注梯形线慢波结构及其应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111128644A (zh) 一种全金属双排渐变栅高频结构
CN101572205B (zh) 一种曲折双脊波导慢波线
CN105489458B (zh) 一种平面环型微带慢波结构
CN108962706B (zh) 一种介质交错双栅慢波结构
CN113113278B (zh) 一种类梯形交错双栅慢波结构
CN113113279B (zh) 一种余弦栅加载类正弦波导慢波结构
CN109872934B (zh) 一种适用于毫米波太赫兹频段多电子注返波管的慢波结构
CN202352608U (zh) 一种渐变脊加载曲折波导慢波线
CN105428189A (zh) 一种共面波导的慢波结构
CN107452582B (zh) 一种能够抑制谐波的宽带折叠波导行波管
CN103354199B (zh) 一种加脊微带线平面慢波结构
CN202855699U (zh) 一种曲折波导慢波线
CN110335796B (zh) 一种带状电子注双槽梯形线耦合腔慢波装置
CN102915898B (zh) 一种曲折波导慢波线
CN110323522B (zh) 一种基于H-T接头功分网络的TE10-TEn0的模式变换器
CN102339708B (zh) 一种渐变脊加载曲折波导慢波线
CN201465983U (zh) 一种弯曲槽加载曲折波导慢波线
CN114005719B (zh) 一种双电子注通道折叠波导慢波结构
CN203607364U (zh) 一种梯形线结构慢波线
CN103606504B (zh) 一种t形交错双栅慢波器件
CN113571391B (zh) 一种基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构
CN104183444A (zh) 一种具有内径尺寸递减电子注通道的折叠波导慢波结构
CN110034005B (zh) 一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路
CN113161216A (zh) 一种紧凑型双共焦波导回旋行波管输入耦合器
CN203466159U (zh) 一种加脊微带线平面慢波结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200508

RJ01 Rejection of invention patent application after publication