CN112216578B

CN112216578B - 一种用于行波管纵向输出降压收集极的低泄漏截断结构

Info

Publication number: CN112216578B
Application number: CN202011021924.1A
Authority: CN
Inventors: 王建勋; 李鑫杰; 罗勇; 王丽; 蒋伟; 刘国
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-12-03
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN112216578A

Abstract

本发明公开了一种用于行波管纵向输出降压收集极的低泄漏截断结构，属于大功率电真空毫米波器件技术领域。该结构包括矩形波导腔、圆形间隙、扼流槽、光子晶体单元、以及金属外壳，矩形波导腔的中轴线垂直穿过圆形间隙的中心，扼流槽为设置于圆形间隙下侧的矩形环槽，光子晶体单元设置于圆形间隙上、下两侧且周期排布。该结构可以提供足够宽的截断间隙，增加间隙间的高压打火阈值，从而可以施加更高的反向电压来回收剩余电子能量，实现更高的收集能量回收效率和整管效率，并且具有更宽的工作频带、更低的微波反射和泄露。

Description

一种用于行波管纵向输出降压收集极的低泄漏截断结构

技术领域

本发明属于大功率电真空毫米波器件技术领域，具体涉及用于纵向输出降压收集极的高性能截断结构。

背景技术

为了收集与微波发生注-波互作用后的电子能量，通常通过在收集极加上反向电压降低电子速度，将能量转化为电能，提高效率的同时不影响其他结构的正常功能。由于外加电压需要很高的耐压性，截断间隙距离越大，耐压性越强，但此时微波越容易产生泄露和反射。传统的解决方案是先利用输出耦合器将微波横向耦合输出去，只剩下互作用后的电子纵向传输，然后再利用降压收集极外加反向高电压使得电子减速，回收电子当中的能量，从而提高整管的效率。横向输出耦合器会占用纵向的空间尺度，特别是在高功率的行波管，如大功率的带状束行波管等中，所占用的纵向空间会更大。此外，横向输出结构很难在大功率情况下实现宽的低反射频带特性。这样一方面会导致周期永磁聚焦磁体更长，难以实现高的电子流通率；另一方面由于带宽的限制，难以实现宽带工作。此外有些情况还会存在插入损耗较高、微波能量泄露等问题。

庞利娥、武华锋(8mm扼流式法兰盘设计[J].火控雷达技术,2002,31(004):44-46)提出了一种扼流式法兰盘的设计,使用扼流槽可以实现无接触连接,也可以用来防止微波功率的泄露。扼流槽被广泛使用在微波炉炉门,微波暗室门等防泄漏场合。扼流槽有着电接触可靠,没有辐射,没有额外的功率损耗等优点,波导连接处表面不平、不干净等因素对微波传输性能影响不大。但当缝隙增加时，扼流槽的效果迅速下降，泄露的微波能量产生的反射会导致微波传输效果变差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种用于纵向输出降压收集极的高性能截断结构，实现在更大功率和更小体积的情况下，带宽更宽、微波反射和泄露更小、更高效率地收集电子能量。

本发明具体技术方案如下：

一种用于纵向输出降压收集极的高性能截断结构，包括矩形波导腔、圆形间隙、扼流槽、以及金属外壳，所述矩形波导腔的中轴线垂直穿过圆形间隙的中心；所述扼流槽为设置于圆形间隙下侧的矩形环槽，其特征在于，还包括设置于圆形间隙上、下两侧且周期排布的光子晶体单元。

所述与扼流槽同侧的光子晶体单元与扼流槽连通设置，另一侧的光子晶体单元环绕设置于扼流槽投影外侧，且上、下两侧的光子晶体单元在横向和纵向上均交错半个周期排布。

所述光子晶体单元为“×”形凹槽结构、或方形凹槽结构，或三角形凹槽结构，或圆形凹槽结构。

进一步的，整个结构为无氧铜金属结构，上、下侧光子晶体单元之间没有电接触。

微波在周期结构中传输时具有周期性，符合周期性定理，即弗洛奎定理。弗洛奎定理，指的是在给定频率下，对于一个确定的传输模式，沿着周期系统传输的波在任一截面上的场分布，与离该截面整数个周期的场仅相差一个复数常数。在周期结构中传播的波，场分布具有周期性，可以通过傅里叶展开得到无数个谐波，满足色散方程。对于给定的光子晶体单元，通过解色散方程，得到关于传播常数和波数的关系，称为布里渊图。布里渊图中有曲线的区域代表波可以传播，称为通带。对于没有曲线的区域代表波不可以传播，称为阻带。通过设定合适的参数，将工作频段设定在光子晶体单元的阻带内，这样微波信号就不能通过光子晶体单元。在工作频段可以将靠近矩形波导腔处的光子晶体单元视为等效电壁，微波不能在圆形间隙处发生泄露，实现了微波在空隙处的正常传输，从而有效解决了间隙泄露问题。根据真空击穿的原理，当金属表面的最大电场超过击穿阈值后，金属表面会发生真空击穿。为了满足耐压的要求，将矩形扼流槽结构和光子晶体单元相结合，经过优化设计，拓宽间隙高度，因而可以承受更高的电压。以工作在Ka全频段的降压收集极隔断结构为例，可实现微波在Ka频段内(26GHz-37.5GHz)无障碍传输，并可以达到耐压大于20kV。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.本发明提供的一种用于纵向输出降压收集极的高性能截断结构，该结构能够在大功率情况下具有更宽的工作频带、更低的微波反射和泄露。

2.基于该结构的大功率行波管的输出耦合器结构更小、聚焦磁体更短、高频结构更紧凑、更容易实现高的电子流通率和更大的微波功率输出。

3.该结构可以提供足够宽的截断间隙，增加间隙间的高压打火阈值，从而可以施加更高的反向电压来回收剩余电子能量，实现更高的收集能量回收效率和整管效率。

附图说明

附图1为带扼流槽波导的S参数图；

附图2为本发明的分解透视图；

附图3为本发明的俯视图；

附图4为本发明中光子晶体单元结构的分解透视图；

附图5为本发明中光子晶体单元结构的俯视图；

附图6为本发明中光子晶体单元结构的色散图；

附图7为本发明的S参数曲线图；

附图8为本发明外加电压时的电场分布图；

附图9为本发明的电压与最大电场的关系图。

附图标号说明：1.矩形波导腔；2.圆形间隙；3.光子晶体单元；4.扼流槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案。

如图2所示，本实施例提供了一种用于纵向输出降压收集极的高性能截断结构，包括矩形波导腔、圆形间隙、扼流槽、金属外壳、以及周期设置于圆形间隙上、下两侧的光子晶体单元，所述光子晶体单元为“×”形凹槽结构。根据所加电压的要求，通过对金属凹槽尺寸结构、匹配腔的大小、间隙长度等参数进行理论计算，并且在三维电磁仿真软件本征模仿真中进行验证，得到满足条件的光子晶体禁带，同时光子晶体表面电场的最大值处于安全界限。合适的光子晶体禁带能够使得微波在间隙处不发生泄露，加入扼流槽实现相位匹配使得反射回来的微波与原本微波同相位，通过计算得到外加对应电压，光子晶体表面电场的最大值远低于真空击穿的电场值，保证波导法兰面不会发生击穿。本发明利用了光子晶体的非接触带隙，替代了原本传递微波的物理电壁，从而能够在间隙两端加上高电压的同时，不影响微波的传递，有效利用了空间，降低了对工艺和材料的要求。同时，本发明具备很宽的频带范围，能够完美覆盖波导工作带宽的要求，可以应用于新型降压收集极的部件当中。

下面结合附图以一种工作在Ka全频段的降压收集极隔断结构为例进行详细说明：

本设计中的扼流槽如附图2、附图3所示，内层长边L1为15.6mm，内层短边长L2为9.6mm，外层长边L3为19mm，外层短边L4长为12.9mm。本设计的光子晶体单元结构为“×”形凹槽结构，如附图4、附图5所示，圆形间隙高度g为0.5mm，“×”形凹槽深度h为2.15mm，短边长c为1.89mm，长边d长为6.28mm，光子晶体单元的周期p为8.6mm。

如附图1所示，无圆形间隙时的传输参数如图中虚线所示,传输良好。当波导之间圆形间隙较大时，即使采用了扼流槽技术,微波依然可以从间隙处泄露，在到达外部时由于不连续性，部分微波信号反射回波导系统中，影响正常信号的传输，当间隙宽为0.1mm时，S₁₁已经出现不希望的尖峰；于此同时，外界环境中的微波也可以通过间隙进入波导，影响波导内的微波信号。

本实施例通过计算光子晶体单元的周期分布得到色散特性，通过选取光子晶体单元的结构进行建模和计算，得到二维光子晶体的色散特性曲线，微调相关参数，使得频率禁带覆盖需要的工作频率。间隙宽度g应尽量大，降低金属表面最大电场，避免间隙在高压情况下发生击穿。结果如附图6所示，光子晶体的禁带可以覆盖24.62GHz到42.82GHz的范围，覆盖Ka波段的工作频率范围。

利用得到的尺寸参数建立完整的耐压结构模型，仿真得到电场分布图以及S参数曲线，合理选择光子晶体的周期数，使得穿过光子晶体之后的电场强度衰减至少40dB，并且在工作频段内不会因穿过光子晶体后的二次反射产生谐振驻波特性。光子晶体周期数为上侧沿着波导长边最多2层，沿着波导短边为1层；下层沿着波导长边最多3层，沿着波导短边最多2层。由于尺寸限制，去掉了外层角落处的光子晶体，仿真表明影响较小。

遇到光子晶体反射回来的微波，和原本在波导中传输的微波信号存在相位差，为了匹配相位，使用扼流槽进行匹配。如附图7所示，经过匹配之后，在26GHz到37.5GHz范围内，反射参数S₁₁均小于-20dB。如附图8所示,当所加电压为15kV时,光子晶体单元表面的场分布和幅度，电场集中在转角等尖锐的地方，最大电场值为6.48×10^7V/m。根据真空击穿的理论，电场最大的区域最容易发生击穿，根据所加电压和金属表面最大电场呈现线性关系的特点，得到如图9所示的所加电压与表面最大电场强度关系图，当所加电压不超过33.5kV时，器件不会发生真空击穿，而给定的目标电压为20kV，低于33.5kV，处于安全界限内。因此该器件能够满足耐压的需求。

Claims

1.一种用于纵向输出降压收集极的高性能截断结构，包括矩形波导腔、圆形间隙、扼流槽、以及金属外壳，所述矩形波导腔的中轴线垂直穿过圆形间隙的中心；所述扼流槽为设置于圆形间隙下侧的矩形环槽，其特征在于，还包括设置于圆形间隙上、下两侧且周期排布的光子晶体单元；其中，与扼流槽同侧的光子晶体单元与扼流槽连通设置，另一侧的光子晶体单元环绕设置于扼流槽投影外侧，且上、下两侧的光子晶体单元在横向和纵向上均交错半个周期排布。

2.如权利要求1所述的一种用于纵向输出降压收集极的高性能截断结构，其特征在于，所述光子晶体单元为“×”形凹槽结构或方形凹槽结构或三角形凹槽结构或圆形凹槽结构。

3.如权利要求1所述的一种用于纵向输出降压收集极的高性能截断结构，其特征在于，金属外壳为无氧铜金属结构，上、下侧光子晶体单元之间没有电接触。