CN113871277A - 一种高频结构 - Google Patents

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张小青
蔡军
杜英华
冯进军
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    • H01J23/08—Focusing arrangements, e.g. for concentrating stream of electrons, for preventing spreading of stream
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明的一个实施例公开了一种高频结构，所述高频结构包括慢波电路；在所述慢波电路上下两侧的聚焦系统；第一吸收负载和第二吸收负载；所述慢波电路包括第一折叠波导和第二折叠波导；所述第一折叠波导的第一端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第一延伸部，所述第一延伸部为与所述第一吸收负载相连的第一输能系统；所述第二折叠波导的第一端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第二延伸部，所述第二延伸部为与所述第二吸收负载相连的第二输能系统。

Description

一种高频结构
技术领域
本发明涉及微波真空电子技术领域，具体涉及一种高频结构。
背景技术
行波管(TWT)是一种重要的真空电子器件，具有宽频带、高增益、大动态范围和低噪声等特性。功率指标是行波管一个最为重要的参数之一，作为雷达系统的核心器件，行波管输出功率直接决定着探测距离和探测精度。相比于在低频段，行波管在短毫米波及太赫兹频段输出功率较小，为满足下一代武器装备应用需求，短毫米波及太赫兹器件的功率指标不断提升。
由公式Pout＝I0V0×ηe可知，提升互作用效率ηe、工作电压V0和工作电流I0都可以实现输出功率的增加。行波管互作用效率被广泛研究和实验验证，如新型慢波结构和相速跳变技术，这些技术有效地提升了互作用效率，但也接近饱和点，很难再次实现功率的大幅度提升。而行波管工作电压已高达两万多伏，增加工作电压将会降低器件可靠性和综合性性能。因此，通过增加工作电流是实现输出功率大幅提升的有效方法，但因受到聚焦磁场强度的限制，这方面报道较少。
由公式
Figure BDA0003254044170000011
可得，工作电流I0与聚焦磁场强度Bb成正比，提高电流就意味着需要更高的聚焦磁场进行维持。由电子束边缘电子轨迹方程
Figure BDA0003254044170000012
可得，在这个过程中电子注存在一个脉动，因而周期永磁聚焦系统的设计重点是要选取合适的磁场强度以及磁周期，使电子注脉动较小。
常用的磁聚焦系统有均匀场聚焦和周期永磁聚焦系统，所述均匀场聚焦包括均匀永磁以及线圈；虽然所述均匀场聚焦磁场强度大，但由于体积大、重量重等缺点一般应用在回旋管、速调管、带状注等器件。周期永磁聚焦系统因其体积小、重量轻等优点被广泛使用在行波管器件中，其缺点为聚焦磁场强度较小，虽然针对磁性材料和聚焦结构开展了研究，但不能满足短毫米波及太赫兹器件对高聚焦磁场强度的应用需求。在现有的基础上通常利用以下几种方法增强磁场：1)采高性能钕铁硼磁铁材料，但此材料温度系数差，且易腐蚀，装配行波管后会增加不可靠性因素；2)通过增加磁体厚度提升磁场强度，但磁场参量α值会随之增加，这将导致电子注波动变大流通率下降；3)增加磁钢外径提升磁场强度，但增加磁钢外径对轴向磁场改变非常小，场强不能实现大幅提升；4)减小磁钢内半径增强磁场。其中方法4最具有可行性，但磁钢内半径受到慢波电路横截面尺寸限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高频结构，所述高频结构将集中衰减器引出，减小了慢波电路的横截面尺寸和磁钢内半径，使聚焦磁场强度大幅提升，有效解决了周期永磁聚焦系统轴向场强不足的问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供一种高频结构，所述高频结构包括
慢波电路；
在所述慢波电路上下两侧的聚焦系统；
第一吸收负载和第二吸收负载；
所述慢波电路包括第一折叠波导和第二折叠波导；
所述第一折叠波导的第一端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第一延伸部，所述第一延伸部为与所述第一吸收负载相连的第一输能系统；
所述第二折叠波导的第一端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第二延伸部，所述第二延伸部为与所述第二吸收负载相连的第二输能系统。
在一个具体实施例中，所述聚焦系统包括
均匀间隔排列的极靴和磁钢。
在一个具体实施例中，所述高频结构还包括
所述第一折叠波导的第二端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第三延伸部，所述第三延伸部为第三输能系统；
所述第二折叠波导的第二端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第四延伸部，所述第四延伸部为第四输能系统。
在一个具体实施例中，所述高频结构还包括
隔环；
所述隔环用于连接所述极靴。
在一个具体实施例中，所述第一输能系统与第一吸收负载相连的端口和第二输能系统与第二吸收负载相连的端口的间距为半个聚焦周期的整数倍。
在一个具体实施例中，所述第一到第四输能系统的口径由靠近慢波电路的一端到另一端不断增大。
在一个具体实施例中，所述磁钢外半径为11mm，磁钢内半径为2.2mm，磁钢厚度为2.7mm。
在一个具体实施例中，所述极靴外径为10mm，极靴头内径为1.2mm，极靴头外径为2.4mm，极靴头厚度为1.8mm，极靴厚度为1.2mm。
在一个具体实施例中，所述第三输能系统用于接收输入的信号。
在一个具体实施例中，所述第四输能系统用于输出处理后的信号。
本发明的有益效果如下：
本发明所提供的一种高频结构将集中衰减器引出，减小了慢波电路的横截面尺寸和磁钢内半径，使聚焦磁场强度大幅提升，有效解决了周期永磁聚焦系统轴向场强不足的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有的技术方案，下面将对具体实施方式或现有的技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本申请的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出根据本发明一个实施例的一种传统行波管的结构示意图。
图2示出根据本发明一个实施例的一种传统高频结构的结构示意图。
图3示出根据本发明一个实施例的一种高频结构部分结构示意图。
图4示出根据本发明一个实施例的一种高频结构整体结构示意图。
图5示出根据本发明一个实施例的一种传统高频结构的局部三维模型示意图。
图6示出根据本发明一个实施例的一种高频结构和传统高频结构周期聚焦磁场强度对比曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。以下通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员可以做出变形与改进，也应视为本发明的保护范围。
行波管是一种重要的真空电子器件，如图1所示，所述行波管包括：
电子枪1；
电子枪组件中的阴极产生一束电子注。
输入系统2；
输入系统用于传输激励信号。
慢波结构3；
慢波结构可以采用包括螺旋线、耦合腔、折叠波导等各种慢波结构，实现信号与电子注相速同步，注波互作用后在电子注中获得能量，信号被放大。
磁聚焦系统4；
磁聚焦系统用于维持一定的电子注形状。
集中衰减器5；
集中衰减器的作用是防止电磁波沿慢波结构反馈而引起不希望的自激振荡。
输出系统6；
输出系统用于输出被放大的信号。
收集极7；
收集极用来收集通过慢波结构后已经交出基波能量的电子。
相比于在低频段，行波管在短毫米波及太赫兹频段输出功率较小，为满足下一代武器装备应用需求，短毫米波及太赫兹器件的功率指标不断提升。
由公式Pout＝I0V0×ηe可知，提升互作用效率ηe、工作电压V0和工作电流I0都可以实现输出功率的增加。行波管互作用效率被广泛研究和实验验证，如新型慢波结构和相速跳变技术，这些技术有效地提升了互作用效率，但也接近饱和点，很难再次实现功率的大幅度提升。而行波管工作电压已高达两万多伏，增加工作电压将会降低器件可靠性和综合性性能。因此，通过增加工作电流是实现输出功率大幅提升的有效方法，但因受到聚焦磁场强度的限制，这方面报道较少。
由公式
Figure BDA0003254044170000041
可得，工作电流I0与聚焦磁场强度Bb成正比，提高电流就意味着需要更高的聚焦磁场进行维持。由电子束边缘电子轨迹方程
Figure BDA0003254044170000042
可得，在这个过程中电子注存在一个脉动，因而周期永磁聚焦系统的设计重点是要选取合适的磁场强度以及磁周期，使电子注脉动较小。
常用的磁聚焦系统有均匀场聚焦和周期永磁聚焦系统，所述均匀场聚焦包括均匀永磁以及线圈；虽然所述均匀场聚焦磁场强度大，但由于体积大、重量重等缺点一般应用在回旋管、速调管、带状注等器件。周期永磁聚焦系统因其体积小、重量轻等优点被广泛使用在行波管器件中，其缺点为聚焦磁场强度较小，虽然针对磁性材料和聚焦结构开展了研究，但不能满足短毫米波及太赫兹器件对高聚焦磁场强度的应用需求。在现有的基础上通常利用以下几种方法增强磁场：
1)采高性能钕铁硼磁铁材料，但此材料温度系数差，且易腐蚀，装配行波管后会增加不可靠性因素；
2)通过增加磁体厚度提升磁场强度，但磁场参量α值会随之增加，这将导致电子注波动变大流通率下降；
3)增加磁钢外径提升磁场强度，但增加磁钢外径对轴向磁场改变非常小，场强不能实现大幅提升；
4)减小磁钢内半径增强磁场。
其中方法4最具有可行性，但磁钢内半径受到慢波电路横截面尺寸限制。
如图2所示，传统高频结构包括：
包含折叠波导的慢波电路、集中衰减器、磁钢、极靴以及隔环。
其中，
磁钢外半径为Ro；
磁钢内半径为Ri；
慢波电路的横截面半径与极靴头内径相同为Ry；
集中衰减器底边到折叠波导的距离为d。
折叠波导尺寸直接决定着行波管的性能，隔环具有连接极靴的作用，折叠波导和隔环尺寸很难进行缩小。如果移除集中衰减器，可以将衰减器底边到折叠波导的空间进行缩减，但集中衰减器的作用是防止电磁波沿慢波结构反馈而引起的自激振荡，是高效能行波管的关键部件不能直接省去，因此，如何将集中衰减器引出到慢波电路外部成为突破瓶颈的关键。
为了增加周期永磁聚焦系统的轴向磁场，本实施例在传统高频结构的基础上进行结构改进，提供一种提升行波管轴向磁场的高频结构，所述高频结构在电性能不变的条件下减小慢波电路横截面尺寸，解决了磁钢内半径减小难的问题，实现了聚焦磁场强度大幅提升。
如图3和图4所示，本实施例所提供的一种高频结构包括：
慢波电路；
在所述慢波电路上下两侧的聚焦系统；
所述聚焦系统包括均匀间隔排列的极靴和磁钢。
第一吸收负载和第二吸收负载；
所述慢波电路包括第一折叠波导和第二折叠波导；
所述第一折叠波导的第一端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第一延伸部，所述第一延伸部为与所述第一吸收负载(即图中吸收负载A)相连的第一输能系统。
所述第二折叠波导的第一端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第二延伸部，所述第二延伸部为与所述第二吸收负载(即图中吸收负载B)相连的第二输能系统。
所述第一折叠波导的第二端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第三延伸部，所述第三延伸部为第三输能系统；所述第三输能系统用于接收在输能端口3处输入的信号。
所述第二折叠波导的第二端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第四延伸部，所述第四延伸部为第四输能系统；所述第四输能系统用于输出处理后的信号到输能端口4处。
隔环；
所述隔环用于连接所述极靴。
其中，
慢波电路的互作用电路设计四个互作用电路端口即第一折叠波导的第一和二端以及第二折叠波导的第一和二端，四个互作用电路端口分别与所述第一到第四输能系统配作。
所述第一到第四输能系统的口径由靠近慢波电路的一端到另一端不断增大；所述第一输能系统与第一吸收负载相连的端口(即图4中的输能端口1)和第二输能系统与第二吸收负载相连的端口(即图4中的输能端口2)的间距为半个聚焦周期的整数倍。
与传统高频结构相比，本实施例提供的高频结构中慢波电路中的集中衰减器被输能系统和吸收负载代替。吸收负载起到集中衰减器的作用，相对于集中衰减器，吸收负载技术成熟且不受体积限制，具有匹配好、功率容量大的优势，可以有效解决传统结构中衰减器匹配差和功率容量不够的问题，器件的平均功率和可靠性可以得到有效提升。
本实施例所提供的一种高频结构经输能系统将“集中衰减器”引出至慢波电路外部，慢波电路因没有集中衰减器而减小了横截面尺寸。慢波电路的横截面半径减小为Ry’，磁钢内半径减小为Ri’；
当集中衰减器底边到折叠波导的尺寸为d时，Ry’＝Ry-d和Ri’＝Ri-d。
高频结构的磁钢内半径减小可以使聚焦系统轴向磁场得到提升，能够有效解决周期永磁聚焦系统轴向场强不足的问题，进而实现大电流聚束，提升短毫米及太赫兹行波管的功率特性。
为使本实施例更加直观，本实施例提供一组具体数据。
如图5所示，
传统高频结构中磁钢外半径Ro＝11mm；
磁钢内半径Ri＝2.7mm；
磁钢厚度Hc＝2.7mm；
极靴外径Rw＝10mm；
极靴头内径Ry＝1.7mm；
极靴头外径Rn＝2.4mm；
极靴头厚度Hi＝1.8mm；
极靴厚度Hj＝1.2mm；
集中衰减器底边到折叠波导的距离d＝0.5mm(图5中未示出)。
在其他条件不变的情况下，因为慢波电路不需要留有集中衰减器空间，所以本实施例所提供的高频结构的慢波电路的横截面半径可减小d；
因此，本实施例所提供的高频结构的磁钢外半径Ro’＝11mm；
磁钢内半径Ri’＝Ri-d＝2.2mm；
磁钢厚度Hc’＝2.7mm；
极靴外径Rw’＝10mm；
极靴头内径Ry’＝Ry-d＝1.2mm；
极靴头外径Rn’＝2.4mm；
极靴头厚度Hi’＝1.8mm；
极靴厚度Hj’＝1.2mm。
利用CST软件计算结构优化前后的周期聚焦磁场强度，得到本实施例所提供的高频结构和传统高频结构周期聚焦磁场强度的对比曲线示意图如图6所示，传统高频结构(即图6中实线)的磁场峰值为0.6T，本实施例所提供的高频结构(即图6中虚线)的磁场峰值为0.83T，磁场峰值提高了40％。
由公式
Figure BDA0003254044170000071
可知，在工作电压V0和聚束条件r0不变的情况下，当周期聚焦磁场强度Bb增加40％，工作电流可以增长一倍左右，行波管的饱和输出功率可以得到大幅提升，饱和输出功率的提升使行波管能够广泛应用于毫米波及太赫兹波段器件，进而满足新一代武器装备对高功率的需求。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种高频结构，其特征在于，所述高频结构包括
慢波电路；
在所述慢波电路上下两侧的聚焦系统；
第一吸收负载和第二吸收负载；
所述慢波电路包括第一折叠波导和第二折叠波导；
所述第一折叠波导的第一端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第一延伸部，所述第一延伸部为与所述第一吸收负载相连的第一输能系统；
所述第二折叠波导的第一端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第二延伸部，所述第二延伸部为与所述第二吸收负载相连的第二输能系统。
2.根据权利要求1所述的高频结构，其特征在于，所述聚焦系统包括
均匀间隔排列的极靴和磁钢。
3.根据权利要求2所述的高频结构，其特征在于，所述高频结构还包括
所述第一折叠波导的第二端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第三延伸部，所述第三延伸部为第三输能系统；
所述第二折叠波导的第二端具有垂直慢波电路并穿过所述聚焦系统向外延伸的第四延伸部，所述第四延伸部为第四输能系统。
4.根据权利要求3所述的高频结构，其特征在于，所述高频结构还包括
隔环；
所述隔环用于连接所述极靴。
5.根据权利要求4所述的高频结构，其特征在于，所述第一输能系统与第一吸收负载相连的端口和第二输能系统与第二吸收负载相连的端口的间距为半个聚焦周期的整数倍。
6.根据权利要求3所述的高频结构，其特征在于，所述第一到第四输能系统的口径由靠近慢波电路的一端到另一端不断增大。
7.根据权利要求4所述的高频结构，其特征在于，所述磁钢外半径为11mm，磁钢内半径为2.2mm，磁钢厚度为2.7mm。
8.根据权利要求4所述的高频结构，其特征在于，所述极靴外径为10mm，极靴头内径为1.2mm，极靴头外径为2.4mm，极靴头厚度为1.8mm，极靴厚度为1.2mm。
9.根据权利要求4所述的高频结构，其特征在于，所述第三输能系统用于接收输入的信号。
10.根据权利要求4所述的高频结构，其特征在于，所述第四输能系统用于输出处理后的信号。
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WO2024050841A1 (zh) * 2022-09-09 2024-03-14 华为技术有限公司 一种慢波结构、高频系统、行波管及通信装置

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WO2024050841A1 (zh) * 2022-09-09 2024-03-14 华为技术有限公司 一种慢波结构、高频系统、行波管及通信装置

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