CN113571391B - 一种基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构，包括矩形波导、多个上栅结构、多个下栅结构，所述矩形波导内设有真空内腔，上栅结构的顶面与真空内腔的顶面固定连接，下栅结构的底面与真空内腔的底面固定连接，上、下栅结构的背面和正面分别与真空内腔的后壁和前壁固定连接，多个上栅结构和多个下栅结构按周期性交错排列；所述上栅结构和下栅结构呈半椭圆柱状。本发明的慢波结构能够提高耦合阻抗和改善其色散特性，为大功率毫米波行波管的研发提供关键技术路径与解决方案。

Description

一种基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构
技术领域
本发明涉及真空电子器件中的行波管放大器件，具体涉及一种基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构。
背景技术
行波管是一种常用的微波放大器件，其工作频率覆盖1GHz到100GHz以上，由于拥有最宽的工作带宽、较高的输出功率和运行效率，被广泛应用于卫星、雷达、电子对抗等领域，在大功率、高频率微波器件领域有难以取代的优势。行波管主要是由五个部分组成：电子枪、慢波结构、输入输出装置、收集极和聚焦系统。电子枪产生一定速度的电子束，慢波结构是可以降低电磁波相位速度的传输波导装置，当电子速度与电磁波相位速度相近时，电子与电磁场会发生持续的相互作用，从而实现电磁波功率放大的目的，这就是行波管的基本工作原理。其中慢波结构是行波管的核心部件，其结构决定了行波管的主要工作性能。
近年来，随着科技的不断发展，军用领域或者民用领域对于高频率、高功率真空电子器件的需求越来越明显，行波管也向着高频率、高功率、宽频带、小型化的方向不断的发展。随着工作频率越来越高，慢波结构的尺寸也逐渐的减小，从而导致整个慢波结构的功率容量会受到一定限制，并且对于小型化的慢波结构，如今精细加工技术的加工精度也被认为是制约行波管向高频率发展的关键因素之一。因此，新型慢波结构的探索工作得到了广泛的重视。目前国内外已经提出了适用于微加工的毫米波和太赫兹波段的慢波结构，例如交错双栅慢波结构、平面螺旋线、微带曲折线等，但这些结构依然面临着高频损耗大，耦合阻抗低，色散效应强，加工难度高等问题。根据皮尔斯小信号理论和微波管大信号理论可知，耦合阻抗的大小会直接影响器件的增益、输出功率、效率等关键性指标，色散强会限制器件的工作带宽。因此需要探索一种耦合阻抗高，色散弱且易于加工的新型交错双栅慢波结构。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种能够提高耦合阻抗和改善其色散特性的基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构。
技术方案：本发明包括矩形波导、多个上栅结构、多个下栅结构，所述矩形波导内设有真空内腔，上栅结构的顶面与真空内腔的顶面固定连接，下栅结构的底面与真空内腔的底面固定连接，上栅结构、下栅结构的背面和正面分别与真空内腔的后壁和前壁固定连接；多个所述上栅结构和多个下栅结构按周期性交错排列；所述上栅结构和下栅结构呈半椭圆柱状。
所述上栅结构的横截面轮廓为双椭圆曲线。
所述上栅结构的横截面轮廓曲线满足以下椭圆函数：
外椭圆数学函数式为：
内椭圆数学函数式为：
式中，a1表示外椭圆的长半轴；b1表示外椭圆的短半轴；a2表示内椭圆的长半轴；b2表示外椭圆的短半轴。
所述上栅结构和下栅结构结构相同，排列方向相反。
所述上栅结构和下栅结构之间的空腔为带状电子注通道。
所述矩形波导、上栅结构、下栅结构的材料均为导电金属。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：耦合阻抗高，可以为行波管提供更高的输出功率、增益和电子效率；色散低，可以在较宽的频带范围内工作；支持带状束电子，输出功率高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图(隐藏了真空内腔的前壁)；
图2为本发明所述慢波结构的单个周期结构示意图；
图3为图2的主视图；
图4为图2的侧视图；
图5为本发明中下栅结构的结构示意图；
图6为本发明中下栅结构的横截面示意图；
图7为图6中整个双椭圆曲线图；
图8为本发明实施例与传统矩形交错双栅的纵向电场对比图；
图9为本发明实施例与传统矩形交错双栅的相位速度对比图；
图10为本发明实施例与传统矩形交错双栅的耦合阻抗对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案作详细介绍。
如图1-7所示，本发明包括矩形波导1、多个上栅结构2、多个下栅结构3。本实施例中，矩形波导1、上栅结构2、下栅结构3的材料均为导电金属，如：铜、铝、金、银等。矩形波导1内设有真空内腔4，上栅结构2的顶面与真空内腔4的顶面固定连接，上栅结构2的背面与真空内腔4后壁固定连接。下栅结构3的底面与真空内腔4底面固定连接，下栅结构3的背面与真空内腔4后壁固定连接。多个上栅结构2和多个下栅结构3按周期性交错排列；上栅结构2和下栅结构3之间的空腔为带状电子注通道。上栅结构2和下栅结构3结构相同，但是排列方向相反；上栅结构2和下栅结构3呈半椭圆柱状。上栅结构2的横截面轮廓为双椭圆曲线。上栅结构2的横截面轮廓曲线满足以下椭圆函数：
外椭圆数学函数式为：
内椭圆数学函数式为：
式中，a1表示外椭圆的长半轴；b1表示外椭圆的短半轴；a2表示内椭圆的长半轴；b2表示外椭圆的短半轴。
如图3和图4所示，各部分尺寸为：a1＝0.405mm，a2＝0.21mm，b1＝0.19mm，b2＝0.05mm，d1＝0.01mm，L1＝0.05mm，h1＝0.34mm，h2＝0.2mm，p＝0.52mm。本结构是在工作中心频率为200GHz的基础上提出的，研究人员可根据实际需求将本结构拓展到W波段、Ka波段等，本发明不局限于具体实施方式。
如图8所示，为本发明和传统的矩形交错双栅结构的在一个周期内不同位置的纵向电场对比图，可以发现本发明结构在198GHz的工作频率下纵向电场幅值为3.188X1010V/m，而普通矩形交错双栅结构[1]的纵向电场幅值为2.427X1010V/m，本发明慢波结构的纵向电场幅值比普通矩形交错双栅慢波结构高30％，根据耦合阻抗的定义式，纵向电场幅值越大耦合阻抗就越大，耦合阻抗的提升会加强注波互作用，可以为行波管提供更高的输出功率。
如图9所示，可以发现，在工作频率内，本发明慢波结构的相位速度随频率变化很小，色散特性弱，可以为行波管提供非常宽的工作带宽。如图10所示，在175GHz到240GHz的频率范围内，本发明结构的耦合阻抗大小对比普通矩形交错双栅结构耦合阻抗大小增加了50％-100％。

Claims (3)

1.一种基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构，其特征在于：包括矩形波导(1)、多个上栅结构(2)、多个下栅结构(3)，所述矩形波导(1)内设有真空内腔(4)，上栅结构(2)的顶面与真空内腔(4)的顶面固定连接，下栅结构(3)的底面与真空内腔(4)的底面固定连接，上栅结构(2)、下栅结构(3)的背面和正面分别与真空内腔(4)的后壁和前壁固定连接；多个所述上栅结构(2)和多个下栅结构(3)按周期性交错排列；所述上栅结构(2)和下栅结构(3)呈半椭圆柱状；
所述上栅结构(2)的横截面轮廓为双椭圆曲线；
所述上栅结构(2)的横截面轮廓曲线满足以下椭圆函数：
外椭圆数学函数式为：
内椭圆数学函数式为：
式中，a1表示外椭圆的长半轴；b1表示外椭圆的短半轴；a2表示内椭圆的长半轴；b2表示外椭圆的短半轴；
所述上栅结构(2)和下栅结构(3)结构相同，排列方向相反。
2.根据权利要求1所述基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构，其特征在于：所述上栅结构(2)和下栅结构(3)之间的空腔为带状电子注通道。
3.根据权利要求1所述基于椭圆曲线的金属交错双栅慢波结构，其特征在于：所述矩形波导(1)、上栅结构(2)、下栅结构(3)的材料均为导电金属。
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