CN113990725A - 适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构构，包括圆形波导，在圆形波导内周期性设置若干开口环结构。其中，开口环结构包括第一开口环、第二开口环以及一对半圆环；第一开口环同心嵌套设置在第二开口环内，且开口方向在径向反方向上；一对半圆环对称嵌入第一开口环和第二开口环之间，第一开口环、半圆环以及第二开口环在径向上相互间隔；第一开口环的开口处分别通过第一金属条与外侧的两个半圆环相连接，第二开口环的开口处分别通过第二金属条与内侧的两个半圆环相连接。超材料全金属慢波结构的各开口环结构的中心通孔形成圆形电子注通道，其结构具有结构简单、全金属、小型化、天然电子注通道、易加工、耦合阻抗高优点。

Description

适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构

技术领域

本发明涉及微波电真空技术领域，尤其涉及一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构。

背景技术

近年来，利用无线通信技术进行数据传输的速率和容量正以指数级增长，积极开拓高频段频谱资源成为一种极具吸引力的通信升级方案。毫米波(30~300GHz)无线通信既能提供足够宽的带宽以满足日益增长的数据容量和速率的需求，又能作为光纤的补充为用户提供廉价的数据接入，越来越引起制造商和运营商的兴趣。无线通信系统为保证传输距离及通信容量，需要输出功率为数十瓦至几百瓦的功率放大器。然而，在60GHz以上高频段的大气衰减，固态器件的低传输功率限制了信号在所需区域范围内的传播。当前应用于Q、V和E波段的固态功率放大器件（SSPA）只能允许窄波束点对点基站通信，而采用毫米波网络是一个分布式数据网，未来应用于用户的固定连接和小型蜂窝移动网络在1km半径范围内需要的通信容量大约是10Gbps/km²，需要宏基站的饱和发射功率在40W以上。在毫米波乃至太赫兹频段，具有大功率、高效率和高增益的真空电子器件相比于固态器件具有绝对的优势，是目前唯一能够在E波段以上频段提供较大输出功率的器件，在未来无线通信系统高阶调制模式下线性度、高峰均比、频谱效率和信道带宽的需求中扮演着重要的角色。

在众多真空电子器件中，行波管以其宽频带、高增益和大功率等优点被广泛应用于雷达、电子对抗、卫星通信等军用和民用领域，是应用最为广泛的一种器件。W波段（75~110GHz）介于微波与太赫兹波之间，而94GHz附近频段是“大气窗口”，具有衰减小、穿透性强、抗干扰强和高分辨率的特性。因此，W波段行波管是毫米波无线通信系统中高性能和实用化功率源的较好选择。为满足高速、大容量远程通信的需求，毫米波行波管需具有大功率、高效率、小型化、集成化和线性化等优点。

慢波结构作为电子注与高频场进行相互作用的场所，影响着电子注与电磁波能量交换的效果，直接决定着器件的整体性能。因此，慢波结构始终是制约毫米波行波管发展的技术瓶颈，是真空电子学研究的热点和难点。目前国内外基于毫米波行波管的研究主要集中在曲折波导、正弦波导和波纹波导等慢波结构。总体来看，这类慢波结构在84~105GHz频段内的耦合阻抗大小为1.2~4.8Ω的水平，因此输出功率和电子效率相对较低，不利于未来无线通信系统高阶调制模式下线性度、高峰均比、频谱效率等性能的实现。因此设计出一种结构简单、散热性能优良、小型化、耦合阻抗高的新型慢波结构对于发展大功率、高效率新型的微波功率源有着重要的现实意义和应用价值。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，解决现有结构存在结构复杂、不易加工、不利于散热、功率容量小、工作电压高以及耦合阻抗低的问题。

技术方案：适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，包括圆形波导，在所述圆形波导内周期性设置若干开口环结构；其中，所述开口环结构包括第一开口环、第二开口环以及一对半圆环；第一开口环同心嵌套设置在第二开口环内，且开口方向在径向反方向上；一对半圆环对称嵌入所述第一开口环和第二开口环之间，所述第一开口环、半圆环以及第二开口环在径向上相互间隔；所述第一开口环的开口处分别通过第一金属条与外侧的两个所述半圆环相连接，所述第二开口环的开口处分别通过第二金属条与内侧的两个所述半圆环相连接；所述超材料全金属慢波结构的各开口环结构的中心通孔形成圆形电子注通道。

进一步的，所述圆形波导内壁上开有若干凹槽，所述开口环结构分别对应嵌入所述凹槽中。

进一步的，所述凹槽内设有与所述第二开口环开口宽度一致的限位金属条。

进一步的，所述第二开口环的内径r5和传输的电磁波波长λ的关系满足：r5<0.25λ。

进一步的，所述圆形波导上凹槽内的限位金属条顶部到中心的距离r7，第二开口环的内径r5，半圆环的内径r3、外径为r4，以及第一开口环的内径r1、外径r2之间满足：r7-r5=r4-r3=r2-r1=w，其中w为所述第一开口环和第二开口环的开口宽度。

有益效果：本发明设计了一种适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，采用三片同心环结构，通过金属条进行连接，整体嵌入圆形波波导中形成一种新型超材料结构，存在天然的电子注通道。这种结构工作模式为类圆波导TM₀₁模式，极大增强了电子注通道处的纵向场强，具有与该频段常规慢波结构更高的耦合阻抗大小，拥有较高的互作用电子效率和输出功率。并且，该结构通过竖直开口环结构纵向周期性排列，实现结构简单、小型化、全金属、易散热、多带状电子注通道、高耦合阻抗、工作电压低的慢波结构，有利于大功率高效率器件的实现，是一种潜力巨大的新型慢波结构。

附图说明

图1为本发明超材料全金属慢波结构示意图；

图2为本发明超材料全金属慢波结构的单元结构示意图；

图3为本发明中开口环结构示意图；

图4为本发明圆形电子注通过慢波结构示意图；

图5为本发明圆形波导中凹槽的结构示意图；

图6为本发明中单周期慢波结构的第一剖视图；

图7为本发明中单周期慢波结构的第二剖视图；

图8为实施例中单周期慢波结构的相移和频率关系曲线图；

图9为实施例中单周期慢波结构的归一化相速和耦合阻抗曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，包括圆形波导1，在圆形波导1内周期性设置若干开口环结构2，如图1所示，为了更好地展示本发明的内部结构，图1中隐藏了部分圆波导结构。

如图2、图3所示，开口环结构2包括第一开口环21、第二开口环23以及一对半圆环22。第一开口环21同心嵌套设置在第二开口环23内，且开口方向在径向反方向上。一对半圆环22对称嵌入第一开口环21和第二开口环23之间，第一开口环21、半圆环22以及第二开口环23在径向上相互间隔，即三者同心嵌套分布，半径依次增大。第一开口环21的开口处分别通过第一金属条24与外侧的两个半圆环22相连接，第二开口环23的开口处分别通过第二金属条25与内侧的两个半圆环22相连接。

如图4所示，超材料全金属慢波结构的各开口环结构2的中心通孔形成圆形电子注通道，因此可以在圆心位置加载一个圆形电子注。当电子注通过周期性环慢波结构时与高频信号中的前向慢波进行相互作用，高频信号对电子注进行速度密度调制，从电子注的动能中获取能量实现信号的放大。本发明结构在截止圆波导中加载超材料开口环结构，在圆波导腔内形成准TM₀₁模式，在靠近轴线电子注注通道附近有较强的纵向电场密度分布，因此具有较常规慢波结构更高的耦合阻抗水平，能够充分利用电磁波纵向场分量与电子注进行能量交换，提高行波管放大器的输出功率和电子效率。并且根据以上说明可知，本发明的超材料全金属慢波结构使得能量交换的空间区域比较开放，有利于解决散热和电子积累等问题，能够保证管子工作寿命和工作稳定性。另外本发明超材料慢波结构结构尺寸处于亚波长结构，远小于工作波长，具有小型化的优点。

如图5、图6所示，圆形波导1内壁上开有若干凹槽，开口环结构2的第二开口环23的外边缘嵌入凹槽中，实现环结构2的插入。在各凹槽内设有与第二开口环23开口宽度一致的限位金属条11，金属条11不仅对开口环结构2有固定作用，也确定了开口环结构23开口的宽度。

图6是本实施例中单周期超材料慢波结构的第一剖视图，其剖面为开口环结构2沿着电子注通过方向的中间平面。图7为本实施例中单周期超材料慢波结构的第二剖视图，其剖面为超材料慢波结构对2中轴线水平平面剖视图。第一开口环21的内径为r1，外径为r2；一对半圆环22的内径为r3，外径为r4；第二开口环23的内径为r5，外径为r6；第一开口环21、半圆环22以及第二开口环23的厚度均为t，第一开口环21和第二开口环23的开口宽度为w；超材料全金属慢波结构的单元结构的圆形波导的高度为p。其中，第二开口环23的内径r5和传输的电磁波波长λ的关系满足：r5<0.25λ；第一开口环21的外径r2、半圆环22的外径r4、第二开口环23的外径r6满足：r2<r4<r6；圆形波导1上凹槽内的限位金属条11顶部到中心的距离r7，半圆环22的内径为r3，外径为r4，以及第一开口环21的内径为r1，外径为r2之间满足：r7-r5=r4-r3=r2-r1=w，该条件使得电子注通道和圆形波导腔之间均匀分布，从而保证了准TM₀₁模的形成。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用本发明的超材料慢波结构设计了一种工作于W波段的慢波结构进行仿真验证，其结构参数如下：开口环结构：r1=0.1mm，r2=0.15mm，r3=0.2mm；r4=0.25mm；r5=0.3mm，r6=0.45mm，w=0.05mm，t=0.12mm；圆形波导：p=0.3mm，r7=0.35mm。可以看出工作在94GHz处对应的自由空间波长λ=3.2mm，开口环结构内径r4=0.25mm(约为0.156λ)，远小于常规慢波结构的尺寸（约为λ/3~λ），他频段的慢波结构可以在本实施例中的慢波结构上进行缩放可得。

图8本实施例中得到的相移和频率关系曲线图。相移和频率关系曲线即为自由空间波数与相位常数关系曲线，即通常所说的布里渊曲线图，布里渊曲线上任一点的纵坐标与横坐标之比为相速与光速之比，可以看出是快波和慢波，其中0～π为零次空间谐波(基波)，对应的π～2π为-1次谐波。图8中分别给出了一条光速线和4kV电压线，光速线左边的区域为快波，右端的区域为慢波。因此从图8中可以看出大部分落在慢波区域，4kV工作电压线与-1次空间谐波的前向波区域有交点，可以用来设计一种行波管放大器功率源。

图9本实施例中得到的归一化色散曲线和耦合阻抗曲线图。图9中横坐标为频率，左边纵坐标为归一化相速大小，即相速与光速之比。右边为圆形电子注通道中心处的耦合阻抗大小。从图9中可以看出本实施例中在92～96GHz频段范围内的归一化相速大小为0.12～0.15，对应的同步电压范围为：3.72~5.85kV，工作电压较低；在92～96GHz频段范围耦合阻抗为63.4~229.5Ω，远远大于常规慢波结构结构在此频段的耦合阻抗（约为1.2~4.8Ω）。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，其特征在于，包括圆形波导（1），在所述圆形波导（1）内周期性设置若干开口环结构（2）；其中，所述开口环结构（2）包括第一开口环（21）、第二开口环（23）以及一对半圆环（22）；第一开口环（21）同心嵌套设置在第二开口环（23）内，且开口方向在径向反方向上；一对半圆环（22）对称嵌入所述第一开口环（21）和第二开口环（23）之间，所述第一开口环（21）、半圆环（22）以及第二开口环（23）在径向上相互间隔；所述第一开口环（21）的开口处分别通过第一金属条（24）与外侧的两个所述半圆环（22）相连接，所述第二开口环（23）的开口处分别通过第二金属条（25）与内侧的两个所述半圆环（22）相连接；所述超材料全金属慢波结构的各开口环结构（2）的中心通孔形成圆形电子注通道。

2.根据权利要求1所述的适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，其特征在于，所述圆形波导（1）内壁上开有若干凹槽，所述开口环结构（2）分别对应嵌入所述凹槽中。

3.根据权利要求2所述的适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，其特征在于，所述凹槽内设有与所述第二开口环（23）开口宽度一致的限位金属条（11）。

4.根据权利要求1-3任一所述的适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，其特征在于，所述第二开口环（23）的内径r5和传输的电磁波波长λ的关系满足：r5<0.25λ。

5.根据权利要求4所述的适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，其特征在于，所述圆形波导（1）上凹槽内的限位金属条（11）顶部到中心的距离r7，第二开口环（23）的内径r5，半圆环（22）的内径r3、外径为r4，以及第一开口环（21）的内径r1、外径r2之间满足：r7-r5=r4-r3=r2-r1=w，其中w为所述第一开口环（21）和第二开口环（23）的开口宽度。

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