CN113066709B - 一种纺锤型慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空电子技术领域，涉及一种纺锤型慢波结构，适用于毫米波、太赫兹波段真空电子器件。本发明通过将矩形波导截面的宽边由a线性渐变减少至a1，窄边由b线性渐变减少至b1，形成一个纺锤体形状的截面，以拓宽工作频带，改善色散特性，进而达到拓宽频带的目的。同时该结构在相同的工作频段下具备较大的宽边尺寸，而该宽边尺寸直接影响器件的下截止频率，以更大的宽边尺寸实现相同的频带，从而有利于器件向太赫兹频段发展。

Description

一种纺锤型慢波结构

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，涉及一种纺锤型慢波结构，适用于毫米波、太赫兹波段真空电子器件。

背景技术

行波管是真空电子器件家族中应用最为广泛的一类器件，其具备大功率、高效率、宽频带等特点，广泛应用于卫星通信、雷达探测等民用和军用领域。慢波结构是行波管中电子注与高频场发生相互作用的部件，是行波管的核心。目前常用的慢波结构有螺旋线、耦合腔、折叠波导等。

行波管的研究方向之一就是向越来越高的频段发展，毫米波频段(30-300GHz)和太赫兹频段(300-3000GHz)已经成为当下的研究热点。毫米波频段具有抗干扰能力强、保密性好等优点，同时大气窗口的存在使得毫米波成为了卫星和地面通信的主要频段。太赫兹频段具有强穿透性、低量子能量等特点，在超高速率通信、超高分辨率雷达系统中占据不可或缺的地位。

而对于太赫兹频段，电磁波的工作波长极短，由于尺寸共渡效应，使得慢波结构尺寸极小。这导致设计太赫兹频段的慢波结构需要在性能和尺寸上做出兼顾，而尺寸在加工上会受到极大制约。种种困难使得太赫兹行波管设计难度大，研制周期长。

目前用于毫米波和太赫兹波段的慢波结构主要有螺旋线和折叠波导。螺旋线具有宽频带、大功率的特点，但是受尺寸共渡效应的影响和其结构的复杂性，在高频段下加工难度大大增加导致无法使用。折叠波导具备频带宽、功率容量大等特点，是目前最常用的高波段慢波结构。但是随着通信系统对于容量的需求，需要寻找适合工作在毫米波与太赫兹波段的慢波结构，且具有工作频带宽的特点。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为了寻找性能优良的适合工作在毫米波与太赫兹波段的慢波结构，本发明提出了一种纺锤型慢波结构，为折叠波导，具有工作频带宽的特点；同时该结构相较于传统的折叠波导结构在相同的工作频段下具备更大的宽边尺寸，而该宽边尺寸直接影响器件的下截止频率，以更大的宽边尺寸实现相同的频带，从而有利于器件向太赫兹频段发展。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种纺锤型慢波结构，为折叠波导，其截面为横向渐变的纺锤型，以该截面形成四分之一圆弧弧形波导段-直波导段-四分之一圆弧弧形波导段的半周期结构，并以半周期结构的一个端面对称形成一个周期，进而将多个周期结构以其端面依次互联构成整个慢波结构；直波导段长度为h，半周期长度为p。

所述截面为横向渐变的纺锤型，其平面形状由2个相同的等腰梯形和居中的矩形相适应拼接构成；截面窄边的长度b即矩形的宽等于等腰梯形的下底边长度，矩形的两条宽边分别与2个等腰梯形的下底边相适应拼接；截面宽边的长度a等于矩形的长a1和2个等腰梯形的高之和；等腰梯形的上底边长度为b1；截面宽边由a线性渐变减少至a1，0<a1<a/2；截面窄边由b线性渐变减少至b1，其渐变范围为0<b1<b/2；截面通过宽边和窄边向其各自中点方向从矩形渐变形成一个纺锤体形状。

该慢波结构作为带状注真空电子器件，其带状电子注通道设置于半周期结构的直波导段中心位置；带状电子注通道的截面为矩形，其宽边e与横向渐变波导结构的宽边a平行，窄边w与横向渐变波导结构的窄边b平行，且其高度方向与直波导段的接触面垂直，e≤a1,e＞w，h＞w。

在整个慢波结构中：半周期结构经对称以及相邻周期结构的依次互联后，相邻带状电子注通道相适应的连通，且处于同一水平线上。

综上所述，利用本发明提出的纺锤型慢波结构，可以在毫米波频段拓展工作带宽，同时还可以改善色散的平坦度。在达到以上目的的同时，该结构在同一工作频段下能够具备较大的宽边尺寸，而该宽边尺寸直接影响器件的下截止频率，以更大的宽边尺寸实现相同的频带，有利于器件向更高频段，乃至太赫兹频段发展。

附图说明

图1为传统折叠波导慢波结构的半周期立体示意图；

图2为传统折叠波导慢波结构的半周期侧视图；

图3为本发明纺锤型慢波结构的半周期立体示意图；

图4为本发明纺锤型慢波结构的半周期侧视图；

图5为本发明纺锤型慢波结构的三周期侧视图；

图6为实施例的色散示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图3所示，该图示出了本发明纺锤型慢波结构的立体示意图。该慢波结构为折叠波导，由一系列的直波导和半圆弧波导组成，形成周期结构。慢波结构的截面宽边总长为a，内宽边为a1，窄边总长为b，内窄边为b1，直波导段长度为h，半周期长度为p。慢波结构的波导截面的宽边由a线性渐变减少至a1，窄边由b线性渐变减少至b1。作为带状注真空电子器件，其带状电子注通道的宽边为e，窄边为w。

本实施例和对比例的具体尺寸如下：

结构参数	单位	纺锤型慢波结构参数值	传统折叠波导参数值
				宽边总长a	mm	4.3	2.96
内宽边a1	mm	1.50	——
				窄边总长b	mm	0.50	0.50
内窄边b1	mm	0.06	——
				直波导段长度h	mm	0.4	0.4
半周期长度p	mm	1.0	1.0
				带状电子注通道截面e×w	mm×mm	1.5×0.3	1.5×0.3

通过采用三维电磁软件对本实施例的纺锤型慢波结构和传统折叠波导进行模拟仿真，计算得到色散特性，如图6所示。从图6中可知：纺锤型慢波结构在上述结构尺寸下的“冷带宽”为45-75GHz，覆盖整个V波段，相较于传统结构得到了提升；并且在带宽内尤其是50-70GHz内提高了色散的平坦度，充分保障了宽带的实现。

在保障色散情况的同时，该实施例中慢波结构的宽边长度为4.3mm，这一尺寸远大于传统结构宽边总长的2.96mm。而该尺寸直接影响下截止频率，通过本发明的新结构可以在同波段下增加该尺寸，从而为器件进一步向更高频段，乃至太赫兹频段发展提供余量。

综上可见，本发明公开了一种纺锤型慢波结构，可用于毫米波带状注真空电子器件。通过将矩形波导截面的宽边由a线性渐变减少至a1，窄边由b线性渐变减少至b1，形成一个纺锤体形状的截面，以拓宽工作频带，改善色散特性，进而达到拓宽频带的目的。同时该结构以更大的宽边尺寸实现相同的频带，从而有利于器件向更高频段，乃至太赫兹频段发展。

Claims (2)

1.一种纺锤型慢波结构，其特征在于：

该慢波结构为折叠波导，其截面为横向渐变的纺锤型，以该截面形成四分之一圆弧弧形波导段-直波导段-四分之一圆弧弧形波导段的半周期结构，并以半周期结构的一个端面对称形成一个周期，进而将多个周期结构以其端面依次互联构成整个慢波结构；直波导段长度为h，半周期长度为p；

所述截面为横向渐变的纺锤型，其平面形状由2个相同的等腰梯形和居中的矩形相适应拼接构成；截面窄边的长度b即矩形的宽等于等腰梯形的下底边长度，矩形的两条宽边分别与2个等腰梯形的下底边相适应拼接；截面宽边的长度a等于矩形的长a1和2个等腰梯形的高之和；等腰梯形的上底边长度为b1；截面宽边由a线性渐变减少至a1，0<a1<a/2；截面窄边由b线性渐变减少至b1，其渐变范围为0<b1<b/2；截面通过宽边和窄边向其各自中点方向从矩形渐变形成一个纺锤体形状；

该慢波结构作为带状注真空电子器件，其带状电子注通道设置于半周期结构的直波导段中心位置；带状电子注通道的截面为矩形，其宽边e与横向渐变波导结构的宽边a平行，窄边w与横向渐变波导结构的窄边b平行，且其高度方向与直波导段的接触面垂直，e≤a1,e＞w，h＞w；

在整个慢波结构中：半周期结构经对称以及相邻周期结构的依次互联后，相邻带状电子注通道相适应的连通，且处于同一水平线上。

2.如权利要求1所述纺锤型慢波结构，其特征在于：所述a＝4.3mm，a1＝1.5mm，b＝0.5mm，b1＝0.06mm，h＝0.4mm，w＝0.3mm，e＝1.5mm，p＝1mm。

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