CN112216579B - 一种针对带状注行波管的高阶返波振荡抑制结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对带状注行波管的高阶返波振荡抑制结构，属于微波电子学及太赫兹技术领域。该结构包括壳体，交错设置于壳体内腔上顶面及下底面的矩形栅，在壳体的两侧面分别设置有一列尺寸相同、周期排布的矩形耦合波导，两列矩形耦合波导沿轴线方向错位半个慢波周期、且在纵向方向也错位设计，使一个矩形耦合波导对应一个矩形空腔。本发明通过在慢波结构两侧加载交错矩形耦合波导的方式，在不影响、不破坏工作模式的前提下，同步实现了对高阶模式的抑制吸收。

Description

一种针对带状注行波管的高阶返波振荡抑制结构
技术领域
本发明涉及微波电子学及太赫兹技术领域，具体涉及一种针对带状注行波管的高阶返波振荡抑制结构
背景技术
在军事对抗、星载或机载通信、雷达等领域，电真空器件被认为是最实用最可靠的解决方案。这是由于电真空器件独有的大功率、高效率、高增益的特点。其中，行波管作为电真空器件的一种，因其具有其他器件无法比拟的宽频带、小型化特点，特别适合于电子对抗以及星载、车载通信。最新的研究热门——带状注行波管相比于传统圆柱电子注拥有更大的电流与功率容量。因此，世界各国正争先研制高功率、高增益行波管来满足军事科研领域需求。考虑到毫米波及太赫兹频段加工与装配难度，广泛采用曲折波导结构或矩形交错双栅结构作为行波管慢波结构。而交错双栅结构由于具有天然的带状注通道和潜在的宽频带工作特性，因此在带状注行波管的研究中独具优势，其结构如图1所示。
行波管研制中最严重的莫过于振荡问题，能否有效抑制振荡直接关系到行波管能否正常使用。业内普遍将振荡分为3类：前向波振荡、返波振荡和绝对不稳定性振荡。其中，前向波振荡可通过加入合适的渐变结构来实现良好的匹配，这在仿真与实际测试中已被证实。绝对不稳定性振荡是由于发生在通带与禁带之间，电磁波群速接近零，极易产生无稳定模式的振荡，通常可计算出阈值电流，工作于该阈值以下则不易起振。返波振荡发生于电子与电磁波的某一空间谐波的返波作用，从而引起自激振荡。目前最常用的解决方案包括在慢波结构中间截断或加入衰减，来吸收振荡信号。但两种方案在吸收振荡模式的同时不可避免地会同时减弱工作模式，从而导致整管增益大幅下降，为了获得足够增益，则必然要增加周期数，从而又导致慢波结构的尺寸的增加以及电子传输系统设计难度增加，并不利于小型化以及毫米波器件的发展。
发明内容
为了解决上述传统的抑制振荡技术的不足，本发明提出了一种针对带状注行波管的高阶返波振荡抑制结构。该结构同时具有模式选择特性与高通特性，在典型的交错双栅结构的基础上通过在慢波结构两侧加载交错横向耦合波导的方式，在不影响、不破坏工作模式的前提下，同步实现了对高阶模式的抑制吸收。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种针对带状注行波管的高阶返波振荡抑制结构，包括壳体、交错设置于壳体内腔上顶面及下底面的矩形栅，其特征在于：在壳体的两侧面分别设置有一列尺寸相同、周期排布的矩形耦合波导，两列矩形耦合波导沿轴线方向错位半个慢波周期、且在纵向方向也错位设计，使一个矩形耦合波导对应一个矩形空腔。
进一步地，所述矩形耦合波导为过模矩形波导，其宽边尺寸根据所需抑制的振荡频率决定，窄边尺寸根据所需振荡模式的耦合强度决定。
进一步地，所述的矩形耦合波导的宽边垂直于轴向方向，用于耦合出振荡模式的轴向电场分量；宽边的长度对应的截止频率大于工作模式截止频率，同时低于振荡频率，以实现高通滤波特性，避免对工作模式的影响。
本发明的矩形耦合波导采用交错排列方式放置于慢波结构两侧。对于主模准TE10模式而言，电场集中在慢波中心，两侧较弱；而振荡模式为准的TE20模，电场分布呈两个瓣状分布，两侧放置矩形耦合波导可以弱化对工作模式的影响，同时交错的排列方式致使振荡模式的场分布发生畸变，使其不易于振荡。通过将矩形耦合波导设置于壁电流较弱处，采用弱耦合的方式，最大限度地降低了耦合对于工作模式场的畸变。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、交错排布的矩形耦合波导相比于传统截断或加载衰减的方式，具有频率选择性，只对高阶振荡模耦合吸收，而不会降低工作模式，从而避免了增益的急剧下降。
2、将交错排布的矩形耦合波导加载于弱耦合区，减弱了该结构对于工作模的影响，从而避免了因不连续性引起的工作模的畸变。
3、该结构相比于传统截断或加载衰减的方式，将矩形耦合波导设计于慢波结构两侧，不会增加整体长度，从而减轻了电子传输系统的压力，更有利于小型化。
附图说明
图1为典型的交错双栅慢波结构示意图。
图2为实施例剖面结构示意图。
图3为实施例内部腔体结构示意图。
图4为实施例振荡抑制效果对比图。
图5为工作模式传输性能影响图。
图6为高阶振荡耦合的电场分布图。
附图标号说明：1、矩形栅，2、矩形空腔，3、壳体，4、矩形耦合波导。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
参照附图2、3，本发明提出了一种针对带状注行波管的高阶返波振荡抑制结构。该结构通过在交错双栅慢波结构两侧加载交错矩形耦合波导的方式，在不破坏工作模式的前提下，同时实现了对高阶模式的抑制吸收，有效地解决了带状注行波管设计中存在的高阶返波振荡问题。
下面以中心频率为220GHz的一种G波段的带状注行波管为例进行说明：
如图1所示为交错双栅慢波结构，金属栅高vh＝0.33mm，栅宽wca＝0.2mm，栅长w＝0.9mm，电子通道高度th＝0.15mm，周期p＝0.65mm。互作用区域包括76节周期，两端采用了渐变段实现良好的匹配，工作于准TM11模式。采用的椭圆形电子注电压为27.6kV，电流200mA，外加轴向磁场1T。利用PIC仿真软件进行仿真分析，在零驱动情况下工作10ns后，在输入端口发现有明显的返波振荡信号产生，如图4的未加抑制结构的曲线所示。对振荡信号进行傅里叶变换分析，得到其特征频率为360GHz。本实施例在图1交错双栅慢波结构的基础上，加入了两列交错设置的矩形耦合波导，如图2、3所示，在壳体的两侧面分别加载一列尺寸相同、周期排布的矩形耦合波导，两列矩形耦合波导沿轴线方向错位半个慢波周期、且在纵向方向也错位设计，其中一列矩形耦合波导的上侧窄面与壳体上顶面位于同一平面，另一列矩形耦合波导的下侧窄面与壳体下底面位于同一平面，使一个矩形耦合波导对应一个矩形空腔。矩形耦合波导的高度h＝0.48mm，宽度s＝0.1mm，其截止频率由其高度计算为330GHz。将其交错加载于慢波结构两侧的弱耦合区域，采用该方案设计首先保证了工作模式的正常传输，从图5中可以看出，该矩形耦合波导的引入对于慢波的传输无明显影响。其次，该结构有明显的模式选择和滤波特性，从其360GHz处电场分布可以看出，对于振荡模式有明显的抑制，如图6所示。同样运用PIC仿真验证，振荡幅值如图4所示，可以清楚发现高阶模振荡已经完全消失，效果对比未加矩形耦合波导的结构非常明显。上述结果表明本发明提出的一种针对带状注行波管的高阶振荡抑制结构具有极佳的模式选择和振荡抑制效果，具有广泛的应用前景和实际价值。
以上实例仅为方便说明本发明方案，本发明提出的一种针对带状注行波管的高阶振荡抑制结构可用于不同频段如X、Ku、Ka、W等的带状注行波管的振荡抑制设计。通过改变本发明方案中所提及的各个参数、使用本发明的结构，均属于本发明所保护的范畴。

Claims (1)

1.一种针对带状注行波管的高阶返波振荡抑制结构，包括壳体、交错设置于壳体内腔上顶面及下底面的矩形栅，其特征在于：在壳体的两侧面分别设置有一列尺寸相同、周期排布的矩形耦合波导，两列矩形耦合波导沿轴线方向错位半个慢波周期、且在纵向方向也错位设计，其中一列矩形耦合波导的上侧窄面与壳体上顶面位于同一平面，另一列矩形耦合波导的下侧窄面与壳体下底面位于同一平面，使一个矩形耦合波导对应一个矩形空腔；
所述矩形耦合波导为过模矩形波导；
所述矩形耦合波导的宽边垂直于轴向方向，用于耦合出振荡模式的轴向电场分量，宽边尺寸根据所需抑制的振荡频率决定，宽边尺寸对应的截止频率大于工作模式截止频率，同时低于振荡频率；窄边尺寸根据所需振荡模式的耦合强度决定。
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