CN114005717A - 一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构，包括矩形波导，在矩形波导内沿波导方向周期性设置若干竖直金属平板对结构。竖直金属平板对结构包括矩形金属框架，以及设置于矩形金属框架内的一对第一竖直矩形金属平板以及一块第二竖直矩形平板；两块第一竖直矩形金属平板分别平行间隔设置于第二竖直矩形平板的两侧；矩形金属框架、两块第一竖直矩形金属平板以及第二竖直矩形平板的中心轴向位置开有矩形通孔；竖直金属平板对结构的上、下表面和矩形波导之间形成对称的电子注通道，用于在慢波结构的上、中、下分别加带状电子注。本发明的多电子注全金属慢波结构具有结构简单、易加工、全金属、易散热及高耦合阻抗水平特点。

Description

一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构

技术领域

本发明涉及一种微波电真空器件，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

微波电真空器件是一种利用带电粒子与高频电磁波进行相互作用，在真空环境中实现信号振荡和放大的一类器件。随着现代雷达技术、电子对抗以及卫星通讯等军用、民用领域的快速发展，紧密追踪、高分辨率成像技术、高速率通信以及大数据容量传输得到了广泛应用，对微波电真空器件提出了更高的要求。发展大功率、高效率微波电真空器件对于提升雷达、通讯装备灵活机动性、减小体积、重量和功耗有着重要的战略意义。

行波管是众多微波电真空器件中应用最广泛的一类器件，行波管中沿着慢波系统传输的能量流方向和电子注的运动方向相同，电子注与行波场中的前向波相互作用，将电子的动能交给电磁波，从而实现高频信号的放大，因此行波管是一种行波放大器件。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，寻求新型的慢波结构是微波管科研工作者努力探索的目标。

目前常规的慢波结构有螺旋线慢波结构、螺旋波导、曲折波导、交错双栅和正弦波导等，其中螺旋线慢波结构虽然带宽较宽，但其结构复杂，并且有介质材料夹持杆结构，不利于散热和加工。而螺旋波导、曲折波导、交错双栅和正弦波导也加工较复杂，另外耦合阻抗都相对较低，不利于大功率、高效率性能的实现。在航天和军事高速发展的今天，迫切需要一种体积小、重量轻、能耗低、功率高、效率高的新型行波管来提高电磁能量设备的灵活机动性，减少功耗，极大提高军事能力。因此，设计出一种全金属、高耦合阻抗、结构简单的新型慢波结构对于发展新型的电真空器件，为电真空管领域注入新的血液具有重要的研究意义。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构，其结构具有结构简单、天然多电子注通道、全金属结构、易加工、耦合阻抗高优点。

技术方案：一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构，包括矩形波导，在所述矩形波导内沿波导方向周期性设置若干个竖直金属平板对结构；其中，单周期的所述竖直金属平板对结构包括矩形金属框架，以及设置于所述矩形金属框架内的一对第一竖直矩形金属平板以及一块第二竖直矩形平板；两块所述第一竖直矩形金属平板分别平行间隔设置于第二竖直矩形平板的两侧；所述矩形金属框架、两块所述第一竖直矩形金属平板以及第二竖直矩形平板的中心轴向位置开有矩形通孔；两块所述第一竖直矩形金属平板分别通过第一矩形金属条结构对和所述矩形金属框架相连接，所述第二竖直矩形平板通过第二矩形金属条结构对和所述矩形金属框架相连接；所述竖直金属平板对结构的上、下表面和矩形波导之间形成对称的电子注通道，用于在慢波结构的上、中、下分别加带状电子注。

进一步的，所述矩形波导的内腔在两个侧壁的中间位置开设有凹槽，所述竖直金属平板对结构的矩形金属框架的两个侧边嵌入所述凹槽中，实现竖直金属平板对结构的插入。

有益效果：本发明设计了一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构，采用设置有矩形通孔的竖直矩形金属板慢波结构，存在多天然电子注通道，可以与电磁波进行充分互作用，提高了输出功率和电子效率，还可以单注、双注、三注切换实现功率可调控。并且，本发明通过三片竖直矩形金属板慢波结构排列，并中心位置开矩形通孔实现结构简单、全金属、易散热、多带状电子注通道，本方案在竖直矩形金属板之间形成强烈的谐振效果，因此在金属板的上下表面产生较强的纵向电场强度，其比传统慢波结构有更高的耦合阻抗水平，有利于大功率高效率器件的实现，是一种潜力巨大的慢波结构。

竖直金属平板对结构中的第二竖直矩形平板通过两侧金属枝节连接矩形金属框架，两边的第一竖直矩形金属平板由纵向枝节连接矩形金属框架，第二竖直矩形平板的引入带来更强的谐振效果，有利于更高的耦合阻抗。

附图说明

图1为本发明多电子注全金属慢波结构示意图；

图2为本发明多电子注全金属慢波结构的单元结构示意图；

图3为本发明中竖直金属平板对的结构示意图；

图4为本发明中矩形波导的结构示意图；

图5为本发明三带状电子注通过本发明慢波结构示意图；

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为本发明中单周期慢波结构的第三剖视图；

图9为实施例中单周期慢波结构的相移和频率关系曲线图；

图10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。

一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构，包括矩形波导1，在矩形波导1内沿波导方向周期性设置若干个竖直金属平板对结构2，如图1所示，为了更好地展示本发明的内部结构，图1中隐藏了部分矩形波导结构。

如图2、图3所示，单周期的竖直金属平板对结构2包括矩形金属框架21，以及设置于矩形金属框架21内的一对第一竖直矩形金属平板22以及一块第二竖直矩形平板23。两块第一竖直矩形金属平板22分别平行间隔设置于第二竖直矩形平板23的两侧。矩形金属框架21、两块第一竖直矩形金属平板22以及第二竖直矩形平板23的中心轴向位置开有矩形通孔。两块第一竖直矩形金属平板22分别通过第一矩形金属条结构对24和矩形金属框架21相连接，第二竖直矩形平板23通过第二矩形金属条结构对25和矩形金属框架21相连接。

图4所示，矩形波导1的内腔在两个侧壁的中间位置开设有凹槽，竖直金属平板对结构2的矩形金属框架21的两个侧边嵌入凹槽中，实现竖直金属平板对结构2的插入。

图5所示，由于竖直金属平板对结构2中间存在矩形通孔，并且竖直金属平板对结构2的上、下表面和矩形波导1之间存在天然对称的电子注通道，因此可以在慢波结构的上、中、下各加一个带状电子注。当电子注通过周期性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调制和密度调制，从电子注的动能中获取能量实现信号的放大。从而，本发明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，本发明适用于双带状注返波振荡器的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，本发明慢波结构还可以进行单注、双注、三注切换工作，实现功率可调。

图6是单周期慢波结构的第一剖视图，其剖面为第二竖直矩形平板23沿着电子注通过方向的中间平面。图7为单周期慢波结构的第二剖视图，其剖面为竖直金属平板对结构2中轴线水平平面剖视图。图8为单周期慢波结构的第三剖视图，其剖面为竖直金属平板对结构2中轴线竖直平面剖视图。如图6至图8所示，单周期慢波结构的矩形腔宽为a，高为c，厚度为b；第二竖直矩形平板23的宽为wd，高为we，厚度为tc；第一竖直矩形平板22的宽为wd，高为we，厚度为tb；第一矩形金属条结构对24的宽为wc，厚度为ta；第二矩形金属条结构对25的宽为wa，高为wb，厚度为tc；矩形通孔的宽为ba，高为bb。显然，电子注通道的宽ba、竖直矩形平板的宽wd以及矩形波导的宽a满足：ba<wd<a；慢波结构中间的电子注通道的高bb、竖直矩形平板的高we以及矩形波导的高c满足：we+2bb<c。

为了更好地说明本发明的技术效果，本实施例采用工作于X波段的慢波结构进行仿真验证，其结构参数如下：矩形波导：a=7.4mm，b=3.6mm，c=6.8mm；竖直金属平板对结构：wd=5.8mm，we=3.0mm，tb=tc=0.5mm；wd=wc=0.5mm，wa=0.8mm，ta=0.5mm；矩形通孔：ba=4mm，bb=1mm。其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。

如图9所示，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9中分别给出了一条光速线和40kV电压线，光速线左边区域为快波，右边区域为慢波。因此从图9中可以看出大部分落在慢波区域，40kv工作电压线与前向波有交点，可以用来设计一种行波管放大器。

如图10所示，图10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。右边分别为三个电子注通道处的耦合阻抗大小。从图10中可以看出本实施例中在10.0～10.2GHz频段范围内的归一化相速大小为0.32～0.52；1、3电子注通道处的耦合阻抗为479~778Ω，2电子注通道处的耦合阻抗大小为686~1130Ω，均远远大于常规慢波结构结构的耦合阻抗（不超过200Ω）。

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 (2)

1.一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构，其特征在于，包括矩形波导（1），在所述矩形波导（1）内沿波导方向周期性设置若干个竖直金属平板对结构（2）；其中，单周期的所述竖直金属平板对结构（2）包括矩形金属框架（21），以及设置于所述矩形金属框架（21）内的一对第一竖直矩形金属平板（22）以及一块第二竖直矩形平板（23）；两块所述第一竖直矩形金属平板（22）分别平行间隔设置于第二竖直矩形平板（23）的两侧；所述矩形金属框架（21）、两块所述第一竖直矩形金属平板（22）以及第二竖直矩形平板（23）的中心轴向位置开有矩形通孔；两块所述第一竖直矩形金属平板（22）分别通过第一矩形金属条结构对（24）和所述矩形金属框架（21）相连接，所述第二竖直矩形平板（23）通过第二矩形金属条结构对（25）和所述矩形金属框架（21）相连接；所述竖直金属平板对结构（2）的上、下表面和矩形波导（1）之间形成对称的电子注通道，用于在慢波结构的上、中、下分别加载带状电子注。

2.根据权利要求1所述的适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构，其特征在于，所述矩形波导（1）的内腔在两个侧壁的中间位置开设有凹槽，所述竖直金属平板对结构（2）的矩形金属框架（21）的两个侧边嵌入所述凹槽中，实现竖直金属平板对结构（2）的插入。

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