CN112420469B - 一种适用于大功率工作的行波管慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于大功率工作的行波管慢波结构，属于微波电子学及电真空技术领域。该慢波结构包括壳体、交错半个周期设置于壳体内腔上顶面及下底面的类梯形栅，类梯形栅由矩形栅顶端两侧切角构成。本发明在原始的交错栅结构中引入了三角修正，通过调整修正角度与高度，可以获得更多纵向电场分量，从而保证充足的注‑波互作用强度。同时，该结构改变了原始色散特性，因此可通过合理的参数调节，在保证与传统结构同等带宽的情况下，大幅增加金属栅的宽度，从而可以在金属栅中设计可行的冷却方案，以提高冷却能力和功率容量。

Description

一种适用于大功率工作的行波管慢波结构
技术领域
本发明涉及微波电子学及电真空技术领域，具体涉及一种适用于大功率工作的行波管慢波结构
背景技术
随着国家的战略需求的提升，毫米波频段成为了下一代通信与军事领域的热门选择。电真空器件由于其出色的可靠性与大功率容量的特点，在毫米波频段具有重大研究意义。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、星载或机载通信、雷达等领域。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，矩形交错栅结构作为行波管慢波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。
然而，随着频段的提高，器件尺寸由于共渡效应将不可避免的下降，小型器件的散热和功率容量问题将愈发严峻。对于传统交错双栅慢波结构而言，当工作于Ka频段时，在保证最佳的互作用效率的前提下，其金属栅的厚度仅为1.09mm，如图1所示。当功率提升时，电磁波引起的热效应急剧增加，而金属栅的结构较窄，散热孔尺寸的限制致使其难以设计在栅中间，从而导致热交换不足，局部升温较高，容易造成器件损坏。同时，当电子流通率较低时，较窄的金属栅将受到电子的轰击，从而导致结构的变形以及局部的高温，同样会使得器件损坏。由此可见，该传统的交错栅结构的功率容量受到了严重限制。
发明内容
为了解决上述传统的交错栅功率容量不足的问题，本发明提出了一种适用于大功率工作的行波管慢波结构。该结构在原始的交错栅结构中引入了三角修正，通过调整修正角度与高度，可以获得更多纵向电场分量，从而保证充足的注-波互作用强度。同时，该结构改变了原始色散特性，因此可通过合理的参数调节，在保证与传统结构同等带宽的情况下，大幅增加金属栅的宽度，从而可以在金属栅中设计可行的冷却方案，以提高冷却能力和功率容量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种适用于大功率工作的行波管慢波结构，包括壳体、交错半个周期设置于壳体内腔上顶面及下底面的类梯形栅，其特征在于：所述类梯形栅由矩形栅顶端两侧切角构成。
进一步地，所述上、下相邻两个类梯形栅的顶点的连线与轴线的夹角θ范围为20°到60°，最佳取值为30°。
进一步地，所述类梯形栅的宽度wca相对一个周期p的占比，与电子通道高度th之间的最佳比例关系为：
Figure BDA0002767936670000021
进一步地，所述切角的高度小于等于类梯形栅的高度。
进一步地，所述类梯形栅内部挖有微通道冷却槽，用于冷却液流通。
本发明在已有的交错双栅结构的基础上，大幅扩大了金属栅的宽度，同时通过对栅体顶端两侧切角加入了三角修正。对于原结构而言，栅体的增大会导致电子与电磁波的互作用强度大幅降低，通过耦合阻抗这个参数可以衡量。而增加了三角修正后，对于电场分布产生了影响，产生了更多的电场纵向分量，这对于互作用的提升是有利的。从耦合阻抗上分析表明，该结构在高频处拥有更高的耦合阻抗，非常适合于高阶模大功率工作。同时，本发明由于成功地增加了类梯形栅的宽度，使得冷却液可直接进入类梯形栅，在保证结构强度的前提下，增加了微通道冷却结构。
与现有的互作用结构相比，本发明的优点在于：
1、本结构的类梯形栅最大宽度相比于传统结构增量超过300％，为散热设计提供足够空间，非常适合于毫米波至太赫兹的器件设计。
2、本发明的功率容量相比于传统结构有跨越式提高，解决了传统结构既要实现高互作用强度，又要满足冷却需求的矛盾，首次实现了两者的兼顾，具有重要科研价值。
3、本发明提出的一种适用于大功率工作的行波管慢波结构，从耦合阻抗特性分析表明，该结构更适用于高阶模工作，可充分增加电子通道宽度，从而发挥带状电子注的大功率优势。
附图说明
图1为典型的交错双栅慢波结构示意图。
图2为本发明的一种适用于大功率工作的行波管慢波结构。
图3为该结构的平面示意图。
图4为本发明与传统结构的性能对比示意图。
附图标号说明：标号1-1表示传统慢波结构壳体，标号1-2表示传统慢波结构金属矩形栅，标号1-3表示传统慢波结构腔体；标号2-1表示本发明慢波结构壳体，标号2-2表示本发明慢波结构金属栅，标号2-3表示本发明慢波结构腔体，标号2-4表示本发明的微通道冷却结构。
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，本发明提出了一种适用于大功率工作的行波管慢波结构。下面以本发明应用于一种Ka波段的带状注行波管为例进行说明：
图1所示为传统的慢波结构，外壳内部腔体的宽度w＝6.05mm，电子注通道高度th＝0.7mm，矩形栅的高度vh＝2.39mm，栅宽度为wca＝1.04m，周期长度P＝4.5mm。
如图2、图3所示，本实例中，具体设定如下尺寸：外壳内部腔体的宽度w＝7.5mm，电子注通道高度th＝0.7mm，类梯形栅的高度vh＝2.6mm，类梯形栅宽度为wca＝4.21mm，是传统结构的386％倍，周期长度P＝6mm，冷却槽宽度S＝1，深度k＝2mm，切角结构上下尖端连线与轴线的夹角θ＝30°，切角高度h＝2mm。
本实施例慢波结构工作的中心频率为29GHz，工作于准TM11模式，带宽4GHz。利用三维仿真软件对其冷腔分析，对比传统结构，其具有更大带宽特性和几乎相等的耦合阻抗，由于其金属栅宽度的大幅增加，散热能力与功率容量实现了飞跃式提升。可以预见，该结构将作为新一代慢波结构替代传统结构实现行波管的性能提升。
以上实例仅为方便说明本发明方案，本发明提出的一种适用于高效冷却的新型大功率慢波结构可用于不同频段如X、Ku、Ka等的带状注行波管慢波结构。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 (5)

1.一种适用于大功率工作的行波管慢波结构，包括壳体、交错半个周期设置于壳体内腔上顶面及下底面的类梯形栅，其特征在于：所述类梯形栅由矩形栅顶端两侧切角构成；
所述类梯形栅的宽度wca相对一个周期p的占比，与电子通道高度th之间的关系为：
Figure FDA0003333276470000011
2.如权利要求1所述的一种适用于大功率工作的行波管慢波结构，其特征在于，上、下相邻两个类梯形栅的顶点的连线与轴线的夹角θ取值范围为20°到60°。
3.如权利要求2所述的一种适用于大功率工作的行波管慢波结构，其特征在于，夹角θ的最佳取值为30°。
4.如权利要求1所述的一种适用于大功率工作的行波管慢波结构，其特征在于，所述切角的高度小于等于类梯形栅的高度。
5.如权利要求1所述的一种适用于大功率工作的行波管慢波结构，其特征在于，所述类梯形栅内部挖有微通道冷却槽，用于冷却液流通。
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