CN114005718A - 一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构，采用阶梯型对称开口环结构，整体嵌入方形波导中形成一种全金属慢波结构，存在天然的多电子注通道。这种结构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，并能实现功率可调。通过连杆阶梯型对称开口环结构纵向周期性排列，实现结构简单、易于装配、全金属、易散热、多带状电子注通道、高耦合阻抗、功率可调的慢波结构，是一种潜力巨大的新型慢波结构。

Description

一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构

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器件的多电子注连杆阶梯型慢波结构。

背景技术

真空电子器件指借助电子在真空或者气体中与电磁场发生相互作用，将一种形式电磁能量转换为另一种形式电磁能量的器件。由于该类器件特殊的工作环境和工作机制，使得真空电子器件具有半导体器件所没有的一些特性，这些特性主要包括能够实现能量的快速转换；能够工作在较大的电压和电流作用下，并且能产生很高的功率输出；能够对剩余的能量进行回收以获得更大的总效率。通常情况下我们把工作在微波波段的电真空器件称之为微波电真空器件，或微波电子管、微波真空管。从上面的特点中可以看出，微波电真空器件最大的特点就是能获得很大的功率输出，这就使得微波电真空器件在电子对抗领域、电子战领域、卫星通信等领域扮演着大功率输出源这一角色。因此微波电子管在工业制造、医疗、军事对抗、卫星通讯等领域得到十分广泛的运用。

微波电真空器件经过100多年的发展，已成为一个庞大的家庭，其主要包括行波管、返波管、速调管、磁控管、回旋管、自由电子激光以及虚阴极振荡器等。其中行波管和返波管是众多微波电真空器件中使用很广泛的一类行波器件，其主要特点是利用带电粒子和行进的电磁波进行相互作用。慢波结构是行波器件中最核心的部件之一，是电子注与电磁波发生注-波互作用的场所，慢波结构的形状和尺寸大小决定着行波场的分布特点，影响着电子注与行波场发生相互作用的效果。自微波电真空器件问世以来，人们提出了各种各样的慢波结构，其主要包括螺旋线慢波结构、曲折波导、正弦波导、交错双栅、微带线类等慢波结构。尽管，这些传统的慢波结构能够满足不同性能的需求，但随着现代大数据传输、高分辨率成像技术、远距离通信、大功率武器等装置的快速发展，需要研制出功率更大、互作用效率更高的电真空器件，需要开展新型慢波结构的研究来满足日益增长的功率、效率的需求。因此，设计出一种结构简单、易加工、全金属、高耦合阻抗、天然电子注通道的新型连杆阶梯型对称开口环慢波结构对于发展新型大功率电真空器件，为电真空领域注入新鲜的血液有着重要的现实意义和研究价值。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构，解决现有的常规慢波结构不同程度存在结构复杂、不易加工、不利于散热、功率容量小、耦合阻抗低的问题。

技术方案：一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构，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连杆阶梯型对称开口环结构；其中，所述连杆阶梯型对称开口环结构包括金属框，在金属框的两条长边的中心位置向内侧对称形成一段横向枝节，从而形成一个对称的开口谐振环结构；所述横向枝节由横向金属条以及连接到所述金属框长边中心的纵向连接金属条构成；将所述开口谐振环结构关于横向中心线对称的一半结构分别关于所述金属框的长边向外侧水平翻转后向下平移，并通过两侧竖直的金属连杆与所述金属框相连形成一体结构；所述慢波结构内，沿波导方向周期性设置的各连杆阶梯型对称开口环结构的中间形成带状电子注通道，在各连杆阶梯型对称开口环结构的上表面和下表面分别与所述矩形波导之间的空间分别形成一个带状电子注通道。

进一步的，在所述矩形波导的相对的内腔侧壁的中间位置开设有凹槽，所述连杆阶梯型对称开口环结构的金属框外边缘嵌入所述凹槽中。

进一步的，所述横向金属条的宽度ta、纵向连接金属条的长度tb、金属框内横向枝节间形成的开口缝隙的宽度w以及所述矩形波导的长度b满足：(3*ta+2*tb+w)=b/2。

进一步的，所述矩形波导的高度c、金属连杆的高度h以及所述金属框的厚度tc之间满足：(h+2*tc)<c/3。

有益效果：本发明的一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构，采用阶梯型对称开口环结构，整体嵌入方形波导中形成一种全金属慢波结构，存在天然的多电子注通道。这种结构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，并能实现功率可调。通过连杆阶梯型对称开口环结构纵向周期性排列，实现结构简单、易于装配、全金属、易散热、多带状电子注通道、高耦合阻抗、功率可调的慢波结构，是一种潜力巨大的新型慢波结构。

附图说明

图1为本发明一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构示意图；

图2为本发明的单周期慢波结构示意图；

图3为本发明中连杆阶梯型对称开口环结构示意图；

图4为本发明多带状电子注通过连杆阶梯型对称开口环慢波结构的示意图；

图5为本发明中带有凹槽的矩形波导结构示意图；

图6为本实施例中单周期慢波结构的第一剖视图；

图7为本实施例中单周期慢波结构的第二剖视图；

图8为本实施例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归一化相速和频率关系曲线图；

图10为实施例中单周期慢波结构的耦合阻抗曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构，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连杆阶梯型对称开口环结构2，如图1所示，为了更好地展示本发明的内部结构，图1中隐藏了部分矩形波导结构。

如图2、图3所示，连杆阶梯型对称开口环结构2包括金属框21，在金属框21的两条长边的中心位置向内侧对称形成一段横向枝节，从而形成一个对称的开口谐振环结构。其中，横向枝节由横向金属条23以及连接到金属框21长边中心的纵向连接金属条22构成。再将开口谐振环结构关于横向中心线对称的一半结构分别关于金属框21的长边向外侧水平翻转后向下平移，并通过两侧竖直的金属连杆24与金属框21相连形成一体结构，从而形成完整的连杆阶梯型对称开口环结构。

如图4所示，本发明的慢波结构内，沿波导方向周期性设置的各连杆阶梯型对称开口环结构2的中间形成带状电子注通道，在各连杆阶梯型对称开口环结构2的上表面和下表面分别与矩形波导1之间的空间分别形成一个带状电子注通道，因此可以在连杆阶梯型开口环结构2的中间位置，上表面位置和下表面位置分别加载带状电子注。当带状电子注通过周期性的连杆阶梯型对称开口环慢波结构时，带状电子注会与连杆阶梯型对称开口环慢波结构中激励起的纵向电场相互作用，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。本发明结构中采用的对称开口环慢波结构在开口处产生强烈的谐振，从而在开口环结构的表面形成较强的纵向电场分布，因此本发明结构比常规慢波结构更高的耦合阻抗水平，并且可以进行多电子注工作，降低了电子注的电流密度，能够充分利用电磁波纵向场分量与电子注进行能量交换，提高行波器件的输出功率和电子效率。并且根据以上说明可知，本发明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。另外本发明的慢波结构可以实现多电子注同时工作，也可以其中一个或者两个电子注工作，从而实现功率可调。

如图5所示，在矩形波导1的相对的内腔侧壁的中间位置开设有凹槽，连杆阶梯型对称开口环结构2的金属框21外边缘嵌入凹槽中，实现连杆阶梯型对称开口环结构2的插入和装配。

图6是本实施例中单周期慢波结构的第一剖视图，其剖面为连杆阶梯型对称开口环结构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慢波结构的第二剖视图，其剖面为单周期慢波结构中轴线水平平面剖视图。图8为本实施例中单周期慢波结构的第二剖视图，其剖面为单周期慢波结构中轴线竖直平面剖视图。

如图6至图8所示，单周期慢波结构中，矩形波导1的宽为a，长度为b，高度为c；连杆阶梯型对称开口环结构的金属框21的宽为wb，横向金属条23的长为wc，宽度为ta，纵向连接金属条22长度tb，金属条厚度为tc，对称开口环23的间距为w，上下连杆24的高度为h。其中横向金属条的长wc和金属框21的宽度wb之间满足：wc<wb；

横向金属条23的宽度ta、纵向连接金属条22的长度tb、金属框21内横向枝节间形成的开口缝隙的宽度w以及矩形波导1的长度b满足：(3*ta+2*tb+w)=b/2；矩形波导1的高度c、金属连杆24的高度h以及金属框21的厚度tc之间满足：(h+2*tc)<c/3。

为了更好地说明本发明的技术效果，采用本发明一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构设计了一种工作于X波段的慢波结构进行仿真验证，其结构参数如下：

矩形波导结构：a=11.6mm，b=9.6mm，c=17mm；连杆阶梯型对称开口环结构的金属框结构：wa=0.8mm，wb=10mm，wc=8mm，ta=0.8mm，tb=0.8mm，tc=0.8mm，w=0.8mm，h=2.6mm。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。

图9为本实施例中得到的归一化相速和频率关系曲线图。图9中横坐标为频率，纵坐标为归一化相速大小，即相速与光速之比。从图9中可以看出本实施例中在6.815～6.865GHz频段范围内的归一化相速大小为0.216～0.322，对应的同步电压范围为：12.3~28.7kV。图10是本实施例中得到的三个电子注通道位置处的耦合阻抗曲线图。在6.82～6.86GHz频段范围内的电子注1通道处耦合阻抗为875~1985Ω，电子注2通道处耦合阻抗为1273~2040Ω，电子注3通道处耦合阻抗为1133~2024Ω，三个通道处的耦合阻抗都远远大于常规慢波结构结构的耦合阻抗水平（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 (4)

1.一种连杆阶梯型对称开口环慢波结构，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连杆阶梯型对称开口环结构（2）；其中，所述连杆阶梯型对称开口环结构（2）包括金属框（21），在金属框（21）的两条长边的中心位置向内侧对称形成一段横向枝节，从而形成一个对称的开口谐振环结构；所述横向枝节由横向金属条（23）以及连接到所述金属框（21）长边中心的纵向连接金属条（22）构成；将所述开口谐振环结构关于横向中心线对称的一半结构分别关于所述金属框（21）的长边向外侧水平翻转后向下平移，并通过两侧竖直的金属连杆（24）与所述金属框（21）相连形成一体结构；所述慢波结构内，沿波导方向周期性设置的各连杆阶梯型对称开口环结构（2）的中间形成带状电子注通道，在各连杆阶梯型对称开口环结构（2）的上表面和下表面分别与所述矩形波导（1）之间的空间分别形成一个带状电子注通道。

2.根据权利要求1所述的连杆阶梯型对称开口环慢波结构，其特征在于，在所述矩形波导（1）的相对的内腔侧壁的中间位置开设有凹槽，所述连杆阶梯型对称开口环结构（2）的金属框（21）外边缘嵌入所述凹槽中。

3.根据权利要求1所述的连杆阶梯型对称开口环慢波结构，其特征在于，所述横向金属条（23）的宽度ta、纵向连接金属条（22）的长度tb、金属框（21）内横向枝节间形成的开口缝隙的宽度w以及所述矩形波导（1）的长度b满足：(3*ta+2*tb+w)=b/2。

4.根据权利要求1所述的连杆阶梯型对称开口环慢波结构，其特征在于，所述矩形波导（1）的高度c、金属连杆（24）的高度h以及所述金属框（21）的厚度tc之间满足：(h+2*tc)<c/3。

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