CN114005719B - 一种双电子注通道折叠波导慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁波技术领域，公开了一种新型双电子注通道折叠波导慢波结构，包括折叠波导，所述折叠波导上设有上排栅和下排栅，上移所述上排栅的弯栅段或者下移所述下排栅的弯栅段，使得上排栅和下排栅之间垂直于周期方向的距离增大，沿周期方向贯穿所述上排栅设有圆柱状的第一电子注通道，且所述第一电子注通道与所述下排栅的弯栅段的顶部相切，沿周期方向贯穿所述下排栅设有圆柱状的第二电子注通道，且所述第二电子注通道与所述上排栅的弯栅段的底部相切。通过增大上排栅和下排栅之间的距离，将原有单电子注通道半径改为沿周期方向建立贯穿折叠波导的双电子注通道，保证良好的色散特性情况下，有效提高了耦合阻抗并降低了损耗。

Description

一种双电子注通道折叠波导慢波结构

技术领域

本发明涉及电磁波技术领域，具体涉及一种双电子注通道折叠波导慢波结构。

背景技术

行波管是最常用的功率放大器之一，在通信、雷达、电子对抗等领域中的应用十分广泛。

慢波结构互作用电路是行波管核心部分，用于保持电磁波与电子注的相速同步，发生持续有效的能量交换。慢波结构的特性极大程度上决定了行波管的性能，一直以来，改进与发展新型慢波系统是改善行波管性能主要方向之一。折叠波导是将矩形波导沿纵向按一定节距弯曲形成的一种慢波结构，具有坚固的结构，高功率容量以及较宽带宽。传统单电子注折叠波导慢波结构的耦合阻抗较低，电子注与电磁波互作用效率较低，高频损耗较大，这将会降低器件的增益、功率及效率等技术指标，在一定程度上限制了此类慢波结构发挥最大性能。

发明内容

本发明提供一种双电子注通道折叠波导慢波结构，解决现有折叠波导慢波结构耦合阻抗较小的问题，同时该结构具有较低的损耗特性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种双电子注通道折叠波导慢波结构，包括折叠波导，所述折叠波导上设有上排栅和下排栅，所述上排栅和下排栅之间设有距离，且所述上排栅和下排栅均包括相互相切设置的直栅段和弯栅段，所述上排栅的直栅段和弯栅段与下排栅的直栅段和弯栅段沿周期方向交错排列，沿周期方向贯穿所述上排栅的直栅段和下排栅的直栅段设有原始电子注通道，上移所述上排栅的弯栅段或者下移所述下排栅的弯栅段，使得上排栅和下排栅之间垂直于周期方向的距离增大，沿周期方向贯穿所述上排栅设有圆柱状的第一电子注通道，且所述第一电子注通道与所述下排栅的弯栅段的顶部相切，沿周期方向贯穿所述下排栅设有圆柱状的第二电子注通道，且所述第二电子注通道与所述上排栅的弯栅段的底部相切，所述第一电子注通道和第二电子注通道不重叠。

作为优化，所述第一电子注通道与所述第二电子注通道的直径大小相同，且第一电子注通道与所述第二电子注通道的直径均小于原始电子注通道的直径。

作为优化，垂直于周期方向的所述第一电子注通道的横截面的圆心与所述第二电子注通道的横截面的圆心的连线与所述周期方向垂直。

作为优化，所述上排栅和下排栅的材质均为高导无氧铜。

作为优化，所述第一电子注通道、第二电子注通道以及上排栅和下排栅之间的距离形成的空间均为真空。

作为优化，所述高导无氧铜的表面的粗糙度为1μm。

作为优化，所述弯栅段的形状为半圆形，且所述弯栅段的半径为r2。

作为优化，所述上排栅的弯栅段和下排栅的弯栅段在垂直于周期方向上有重叠部分。

作为优化，所述重叠部分的高度与所述弯栅段的半径相等。

作为优化，所述重叠部分的高度为所述折叠波导的单周期长的1/8。本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明通过增大上排栅和下排栅之间的距离，将原有单电子注通道半径改为沿周期方向建立贯穿折叠波导的双电子注通道，保证良好的色散特性情况下，有效提高了耦合阻抗并降低了损耗，增大了输出功率和电子效率，具有交错栅频带宽、功率容量大、散热好等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为常规的折叠波导的真空模型示意图；

图2为本发明所述一种双电子注通道折叠波导慢波结构的单个的金属栅的结构示意图；

图3为图2对应的真空模型的结构示意图；

图4为多个图3组成的真空模型的结构示意图；

图5为图3的侧视图；

图6为本发明所述一种双电子注通道折叠波导慢波结构的归一化相速度范围图；

图7为本发明所述一种双电子注通道折叠波导慢波结构与常规的折叠波导的耦合阻抗对比图；

图8为本发明所述一种双电子注通道折叠波导慢波结构与常规的折叠波导的损耗对比图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-上排栅，2-下排栅，3-第一电子注通道，4-第二电子注通道，5-原始电子注通道，A-直栅段，B-弯栅段。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例的一种双电子注通道折叠波导慢波结构，包括折叠波导，图1为常规的折叠波导的真空模型，真空模型以外的空白处即为金属栅模型， b为波导宽边长度，w为波导窄边长度，p为结构的周期长度r1为电子注通道半径，r2为栅顶部圆形半径。结构尺寸为(单位：mm)：b=1.95，w=0.26，p=1.04，r1=0.225，r2=0.13。如图1所示，所述折叠波导上设有上排栅1和下排栅2，所述上排栅1和下排栅2之间设有距离，且所述上排栅1和下排栅2均包括相互相切设置的直栅段A和弯栅段B，所述上排栅1的直栅段A和弯栅段B和下排栅2的直栅段A和弯栅段B沿周期方向交错排列，沿周期方向贯穿所述上排栅1的直栅段A和下排栅2的直栅段A设有原始电子注通道5，上排栅1、下排栅和其距离所围成的真空空间将折叠波导分成直波导段与弯波导段，其中弯波导段沿点场面周期性折叠使电磁波沿曲折路径传输。

如图2-5所示，本发明中，上移所述上排栅1的弯栅段B或者下移所述下排栅2的弯栅段B，使得上排栅1和下排栅2之间垂直于周期方向的距离增大，即上排栅和下排栅的竖直方向上的距离增大，沿周期方向贯穿所述上排栅1设有圆柱状的第一电子注通道3，且所述第一电子注通道3与所述下排栅2的弯栅段B的顶部相切，沿周期方向贯穿所述下排栅2设有圆柱状的第二电子注通道4，且所述第二电子注通道4与所述上排栅1的弯栅段B的底部相切，所述第一电子注通道3和第二电子注通道4不重叠。第一电子注通道和第二电子注通道均设置在直栅段。

本实施例中，垂直于周期方向的所述第一电子注通道3的横截面的圆心与所述第二电子注通道4的横截面的圆心的连线与所述周期方向垂直，即第一电子注通道和第二电子注通道位于同一竖向平面上。第一电子注通道与第二电子注通道形成双电子通道，贯穿对称设置在折叠波导的上下两侧。所述第一电子注通道3与所述第二电子注通道4的直径大小相同，且第一电子注通道3与所述第二电子注通道4的直径均小于原始电子注通道5的直径。两列圆形通道（第一电子注通道和第二电子注通道）分别与对侧栅的顶端相切，并沿周期方向贯穿折叠波导与同侧栅，使工作模式的场集中分布在驻波互作用空间的区域中，此时强场只与部分金属表面接触，从而大幅降低了损耗，另外增强了栅相邻间隙中的电子注方向的电磁场，促进了电子注与电磁场之间的能量交换，从而使电磁场可以得到更有效的放大。

本发明通过将常规的折叠波导的窄边宽度（上排栅的弯栅段和下排栅的底部之间的距离）增大，将电子注通道半径减小，设置圆形通道贯穿栅和折叠波导，形成上排和下排双电子注通道，增强了电磁场与电子注之间的能量交换，从而使电磁场得到更有效的放大；双电子注通道使得在阴极发射相同密度的电子注情况下具有较大的工作电流，提高了输出功率，且栅与电子注通道相切，提高了耦合阻抗，降低了损耗，弥补了传统折叠波导耦合阻抗较低损耗特性较大的缺陷，有利于提高行波管增益及效率。

本实施例中，所述上排栅1和下排栅2的材质均为高导无氧铜。

本实施例中，所述第一电子注通道3、第二电子注通道4以及上排栅1和下排栅2之间的距离形成的空间均为真空。

本实施例中，所述高导无氧铜的表面的粗糙度为1μm。

进一步的，上移所述上排栅1的弯栅段B或者下移所述下排栅2的弯栅段B的高度为h，折叠波导垂直周期方向高度h大于原始上排栅1的弯栅段到下排栅的底部的距离w，所述弯栅段B的形状为半圆形，且所述弯栅段的半径为r2。所述上排栅1的弯栅段B和下排栅2的弯栅段B在垂直于周期方向上有重叠部分，所述重叠部的高度与所述弯栅段B的半径相等，即重叠部分的高度为r2。

第一电子注通道的半径和第二电子注通道的半径均为r3，且将r3设置为小于r2，r2为折叠波导的慢波结构的单周期长p的1/8。

本发明的双电子注通道折叠波导慢波结构，b为波导宽边长度，h为上移所述上排栅1的弯栅段B或者下移所述下排栅2的弯栅段B的高度，w2为波导窄边长度（上排栅的弯栅段的底部到下排栅的底部（矩形通道底部）的长度），p为折叠波导的慢波结构的单周期长度，r2为栅顶部圆形半径，r3为第一、第二电子注通道半径。结构尺寸为(单位：mm)：b=1.95，w=0.26，h=0.29，w2=0.55，p=1.04，r2=0.13，r3=0.08。

利用三维电磁仿真软件HFSS分别对上述常规折叠波导和双电子注通道折叠波导进行计算，获得其色散特性、耦合阻抗和损耗特性，并将得到结果进行比较，结果如图5、图6、图7所示。

如图6所示，本发明归一化相速度范围为0.245~0.255，色散特性曲线显示双电子注通道折叠波导慢波结构的中心频率95GHz附近，相速度随频率的变化较为平缓，保证了本实施案例有较宽的带宽。

如图7所示，从图中也可显著看出本发明在82GHz-105GHz具有更高的耦合阻抗。这说明以本发明中的双电子注同到的折叠波导慢波结构，可以实现更高的增益和更大的功率。

如图8所示，在相当宽频带内(80GHz-130GHz)，本发明提供的双电子注同到的折叠波导慢波结构的传输损耗明显低于传统折叠波导慢波结构，这说明以本发明中新型慢波结构为核心的微波电真空器件可以实现更低的传输损耗，实现更高的传输效率。

需要说明的是，图7-图8中，Old为常规的折叠波导的参数线条，New为本发明的参数线条。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双电子注通道折叠波导慢波结构，包括折叠波导，所述折叠波导上设有上排栅（1）和下排栅（2），且所述上排栅（1）和下排栅（2）均包括相互相切设置的直栅段（A）和弯栅段（B），沿周期方向贯穿所述上排栅（1）和下排栅（2）的直栅段（A）设有原始电子注通道（5），其特征在于，上移所述上排栅（1）的弯栅段（B）或者下移所述下排栅（2）的弯栅段（B），沿周期方向贯穿所述上排栅（1）和下排栅（2）分别设有圆柱状的第一电子注通道（3）和第二电子注通道（4），且所述第一电子注通道（3）与所述下排栅（2）的弯栅段（B）的顶部相切，所述第二电子注通道（4）与所述上排栅（1）的弯栅段（B）的底部相切叠，所述第一电子注通道（3）与所述第二电子注通道（4）的直径大小相同，且第一电子注通道（3）与所述第二电子注通道（4）的直径均小于原始电子注通道（5）的直径。

2.根据权利要求1所述的一种双电子注通道折叠波导慢波结构，其特征在于，垂直于周期方向的所述第一电子注通道（3）的横截面的圆心与所述第二电子注通道（4）的横截面的圆心的连线与所述周期方向垂直。

3.根据权利要求1所述的一种双电子注通道折叠波导慢波结构，其特征在于，所述上排栅（1）和下排栅（2）的材质均为高导无氧铜。

4.根据权利要求1所述的一种双电子注通道折叠波导慢波结构，其特征在于，所述第一电子注通道（3）、第二电子注通道（4）以及上排栅（1）和下排栅（2）之间的距离形成的空间均为真空。

5.根据权利要求3所述的一种双电子注通道折叠波导慢波结构，其特征在于，所述高导无氧铜的表面的粗糙度为1μm。

6.根据权利要求1所述的一种双电子注通道折叠波导慢波结构，其特征在于，所述弯栅段（B）的形状为半圆形，且所述弯栅段的半径为r2。

7.根据权利要求6所述的一种双电子注通道折叠波导慢波结构，其特征在于，所述上排栅（1）的弯栅段（B）和下排栅（2）的弯栅段（B）在垂直于周期方向上有重叠部分。

8.根据权利要求7所述的一种双电子注通道折叠波导慢波结构，其特征在于，所述重叠部分的高度与所述弯栅段（B）的半径相等。

9.根据权利要求7或8所述的一种双电子注通道折叠波导慢波结构，其特征在于，所述重叠部分的高度为所述折叠波导的单周期长的1/8。