CN113223910B - 一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，使其工作在高次模式，能有效增大器件的尺寸，使得一些因尺寸过小引起的加工问题得到改善，且通过多电子注与电磁波相互作用，有效提高真空电子器件的输出功率和增益，该平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的各耦合电路相互之间耦合，使得多电子注功率合成技术带来的实际加工测试中各耦合电路的相位匹配。
Description
技术领域
本发明涉及真空电子技术领域，具体涉及一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构。
背景技术
太赫兹波是频率介于微波和红外波段之间的电磁波，在涉及通信、合成孔径雷达、医学、生物、等离子体成像以及材料处理等民用或科学研究领域，对行波管有着迫切的需求。行波管为太赫兹频段的大功率、宽频带和高效率电磁辐射源中应用最广泛的现代电真空器件。然而随着器件工作频率的升高，尺寸共度效应将导致慢波结构特征尺寸变小，从而导致行波管高频互作用结构尺寸变小、损耗增加，使得行波管的功率容量、互作用效率和输出功率大幅度下降，这严重制约了太赫兹技术在通信、生物医学等领域的进一步应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题现有的行波管随着器件工作频率的升高，使得慢波结构特征尺寸变小，从而导致行波管高频互作用结构尺寸变小、损耗增加，行波管的功率容量、互作用效率和输出功率也大幅度下降，因此，本发明提供一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，并使其工作在高次模式，能有效增大器件的尺寸，使得一些因尺寸过小引起的加工问题得到改善，且通过多电子注与电磁波相互作用，有效提高真空电子器件的输出功率和增益，另外，本发明提供的平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的各耦合电路相互之间耦合，使得多电子注功率合成技术带来的实际加工测试中各耦合电路的相位匹配。
本发明通过下述技术方案实现：
一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，包括一平顶正弦波导，所述平顶正弦波导的宽边长度为n*a，窄边长度为b；纵向即传输方向上下为以宽边为中心进行起伏的正弦线周期性带状起伏，各所述正弦线周期性带状起伏的高度为h、周期为p、宽度为3*a，上下两个正弦线周期性带状起伏之间按照预设削顶高度削顶，经削顶后的两个正弦线周期性带状起伏之间的通道作为带状电子注通道，所述带状电子注通道高度为t；
所述平顶型正弦波导慢波结构的每个窄边侧壁上设置有沿正弦线周期方向的金属脊，两个所述正弦线周期性带状起伏之间沿正弦线周期方向放置有n-1条金属条，将所述带状电子注通道划分为n个电子注子通道。
进一步地，各电子注子通道相互耦合不独立。
进一步地，所述金属脊突出所述窄边侧壁的厚度为d，高度与所述带状电子注通道高度相同；上下两个正弦线周期性带状起伏之间沿周期方向放置的金属条的宽度为2*d，高度与所述带状电子注通道高度相同。
进一步地，金属脊与相邻金属条之间的距离，相邻金属条之间的距离，即电子注子通道的宽度为a-2*d。
具体地，本发明的平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，在窄边侧壁加金属脊后的单电子注平顶型正弦波导的基础上，n倍拓宽波导的宽边，在两端窄边金属侧壁上分别加宽度为d，高度为t的金属脊，上下正弦线周期性带状起伏之间沿周期方向放置宽度为2*d，高度为t 的金属条，靠近各窄边侧壁所加的金属脊与相邻的金属条之间的距离以及相邻金属条之间的距离(即电子注通道的宽度)为a-2*d，电子注通道高度为t。
经测试，本发明的平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的电子注通道数量可根据需要进行增减，可成倍增加宽边长度以及金属条个数，从而平行增加电子注通道，意味着增加电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和。
本发明提供了一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，使其工作在高次模式，能有效增大器件的尺寸，使得一些因尺寸过小引起的加工问题得到改善，且通过多电子注与电磁波相互作用，有效提高真空电子器件的输出功率和增益，另外，本发明提供的平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的各耦合电路相互之间耦合，使得多电子注功率合成技术带来的实际加工测试中各耦合电路的相位匹配。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1的(a)为对比实例窄边侧壁加金属脊后的单电子注平顶型正弦波导慢波结构的剖面图。
图1的(b)为对比实例窄边侧壁加金属脊后的单电子注平顶型正弦波导慢波结构的侧面图。
图2的(a)为本发明一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的一种具体实施方式的剖面图。
图2的(b)为本发明一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的一种具体实施方式的侧面图。
图3为本发明一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构与图1 所示的单电子注平顶型正弦波导慢波结构的色散特性比较图。
图4为本发明一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构与图1 所示的单电子注平顶型正弦波导慢波结构的耦合阻抗比较图。
图5为对比实例窄边侧壁加金属脊后的单电子注平顶型正弦波导慢波结构340GHz输出信号幅值图。
图6为本发明平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构在同等工作条件下340GHz输出信号幅值图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-平顶正弦波导；2-正弦线周期性带状起伏；3-金属脊；4-金属条。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
图1(a)-图1(b)，为对比实例窄边侧壁加金属脊后的单电子注平顶型正弦波导慢波结构的结构示意图，窄边侧壁加金属脊3的平顶正弦波导慢波结构包括正弦波导1，波导宽边长度为a，波导窄边长度为b，正弦线周期性带状起伏2的高度为h，正弦线的周期长度为p，本实施例中正弦线周期性带状起伏2的宽度与波导宽边长度相同，均为a，即正弦线周期性带状起伏2的宽度为a。上下正弦线周期性带状起伏2之间经削顶后的电子注通道的高度为t。正弦波导1 两端窄边侧壁所加金属脊3夹于上下正弦线周期性起伏之间，宽度为 d，在340GHz频段，结构尺寸为(单位：mm)：a＝0.55mm，b＝0.35mm， p＝0.29mm，h＝0.15mm，t＝0.11mm，d＝0.04mm；
图2(a)-图2(b)是本发明平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的一种具体实施方式结构示意图。
在本实施例中，如图2(a)-图2(b)所示，本发明的平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构包括正弦波导部分。如图2中的1所示，平顶正弦波导的宽边长度为3*a，窄边长度为b，纵向即传输方向上下为以宽边为中心进行起伏的正弦线周期性带状起伏如图2中的2所示，正弦线周期性起伏2的周期长度为p，宽度为3*a，高度为h。
平顶正弦波导1的两端窄边侧壁所加金属脊3，金属脊3夹于上下正弦线周期性起伏2之间，宽度为d，高度为t。金属脊3与相邻金属条4，以及2个金属条4之间的带状电子注通道，夹于上下正弦线周期性起伏2之间。
本发明提供的平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，如图2所示，在窄边侧壁加金属脊的单电子注平顶正弦波导慢波结构的基础上，其他尺寸保持不变的情况下，增加宽边长度为a1＝3*a，同时，沿周期方向加入宽度为2*d的n-1根金属条，使得金属脊与相邻金属条之间的距离，相邻金属条之间的距离，即电子注子通道的宽度为a-2*d，该距离即为单个电子注子通道的距离。在本实施例中，在340GHz频段，本发明提供的平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构尺寸为(单位：mm)：a1＝(n*a)mm＝3*0.55＝1.65mm，(在本实施例中，取电子注个数n＝3)，b＝0.35mm，p＝0.29mm，h＝0.15mm，t＝0.11，d＝0.04mm，即宽边长度a1增加为单电子注结构宽边长度a的3倍，其余尺寸不变。
针对上述340GHz频段的窄边侧壁加金属脊的单电子注平顶型正弦波导慢波结构以及本发明提供的平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，利用三维电磁仿真软件CST进行仿真，获得其各自的电场图，并对二者的色散特性、耦合阻抗，输出功率进出比较。仿真结果如图 3、图4、图5、图6所示。其中，图3、图4分别为对比实例窄边侧壁加金属脊后的单电子注平顶型正弦波导慢波结构模式一及本发明平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构模式三的色散特性对比图、耦合阻抗对比图，曲线1、曲线2分别为对比实例窄边侧壁加金属脊的单电子注平顶型正弦波导慢波结构的基模的色散特性曲线，以及本发明平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的模式三的色散特性曲线；曲线3、曲线4分别为对比实例窄边侧壁加金属脊的单电子注平顶型正弦波导慢波结构的基模的耦合阻抗特性曲线，以及本发明平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的模式3的耦合阻抗特性曲线；
在本实施例中，从图3中的曲线1和曲线2，图4中曲线3和曲线4相比较可知，本发明平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构相比于窄边侧壁加金属脊的单电子注平顶型正弦波导慢波结构，在相当宽的频带内(311～401GHz)，二者的归一化相速基本相同，但本发明的平行多电子注平顶型慢波结构的耦合阻抗为单电子注慢波结构耦合阻抗的三分之一。这是由于在相同的输入功率情况时，本发明平行多电子注平顶型慢波结构三个电子注通道各自的输入功率为对比实例的单电子注慢波结构的输入功率的三分之一。
结合图3和图4可知，在相同的工作条件下，本发明平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构由于有更多的电子注与电磁波发生相互作用，在电流密度不变的前提下可以采用更大的直流电流，或在大输入功率的工作条件，有着更大的饱和输出功率。
结合图5和图6可知，通过计算可得本发明平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构的输出功率约为对比实例窄边侧壁加金属脊后的单电子注平顶型正弦波导慢波结构的3倍。本发明提供的平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构可以有效增大真空电子器件的尺寸，并提高输出功率和增益。以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，其特征在于，包括一平顶正弦波导（1），所述平顶正弦波导的宽边长度为n*a，窄边长度为b；纵向即传输方向上下为以宽边为中心进行起伏的正弦线周期性带状起伏（2），各所述正弦线周期性带状起伏的高度为h、周期为p、宽度为 n*a，上下两个正弦线周期性带状起伏之间按照预设削顶高度削顶，经削顶后的两个正弦线周期性带状起伏之间的通道作为带状电子注通道，所述带状电子注通道高度为t；
所述平顶型正弦波导慢波结构的每个窄边侧壁上设置有沿正弦线周期方向的金属脊（3），两个所述正弦线周期性带状起伏之间沿正弦线周期方向放置有n-1条金属条（4），将所述带状电子注通道划分为n个电子注子通道；
所述金属脊（3）突出所述窄边侧壁的厚度为d，高度与所述带状电子注通道高度相同；上下两个正弦线周期性带状起伏之间沿周期方向放置的金属条（4）的宽度为2*d，高度与所述带状电子注通道高度相同。
2.根据权利要求1所述的一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，其特征在于，各电子注子通道相互耦合不独立。
3.根据权利要求1所述的一种平行多电子注平顶型正弦波导慢波结构，其特征在于，金属脊（3）与相邻金属条（4）之间的距离，相邻金属条（4）之间的距离，即电子注子通道的宽度为a-2*d。
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