CN114038728B - 一种适用于太赫兹行波管的慢波结构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于真空电子领域，具体提供一种适用于太赫兹行波管的慢波结构及其加工方法。本发明采用圆筒状金属外壳加载倾斜设置的扇面状盘片的交错栅结构，能够大幅改善电子注与慢波在所述结构内的注波互作用，保证较大带宽的同时确保了结构的电子束通道较大、工作频带内的耦合阻抗较高；并且，进一步提出金属外壳与加载盘片分离设计、再通过金属外壳上开设的匹配于加载盘片的倾斜缝隙将加载盘面密封固定于金属外壳上的结构，基于此结构能够采用金属外壳与扇面状盘片单独加工后再装配的加工方式，确保加载盘片的一致性、从而保证器件各单元空间周期的一致性，完美适用于小尺寸的太赫兹行波管的工业化生产，并且具有生产效率高、成品率高的优点。

Description

一种适用于太赫兹行波管的慢波结构及其加工方法

技术领域

本发明属于真空电子领域，涉及太赫兹波段行波管中慢波结构，具体提供一种适用于太赫兹行波管的慢波结构及其加工方法。

背景技术

太赫兹是指0.1T～10THz的电磁辐射，由于太赫兹波在带宽、信息密度及功率等诸多方面的优良属性，使得其有着相当高的应用价值。太赫兹技术不仅在通信、雷达等传统电子信息领域有着极为显著的优势，并且在高精度材料的性质研究、基因检测、大气监控、细胞成像乃至反恐等众多领域同样具有着广阔的应用前景。也正因如此，太赫兹技术逐渐得到了相关领域研究者的极大重视。

虽然太赫兹技术具有上述众多的良好特性，但大功率的太赫兹源的研究及制造仍然处于探索阶段，如何解决现阶段大功率太赫兹辐射源的匮乏，设计出兼具较宽带宽、较大功率及信号稳定输出的真空电子辐射源，也便成为了相关领域内极为重要的研究方向。

对于太赫兹波而言，行波管是一类尤为重要的真空电子器件；其在频带、功率、稳定性等多方面具有着优良的性质，使其得到了广泛的重视；而传统行波管的高频结构往往难以在电子束通道、耦合阻抗以及带宽上同时取得良好的效果。随着电磁辐射的频率不断提高，工作在基模的行波管的器件尺寸相应缩小，进而导致与电磁场发生相互作用的电子注的束流半径随之缩小，使得器件整体功率下降；因此，如何在保证较大的工作带宽的前提下，提升电子注的束流半径，并且使得结构具有较大的耦合阻抗成为亟待解决的首要问题。同时，随着行波管的器件尺寸越来越小，对行波管的加工精度、加工难度、加工成品率也提出了更高的要求，传统加工方式已经不再适用。

发明内容

本发明针对现有的慢波结构加工方式在加工精度、加工难度、成品率等方面存在的诸多缺陷，提供一种适用于太赫兹行波管的慢波结构及其加工方法。本发明采用圆筒状金属外壳加载倾斜设置的扇面状盘片的交错栅结构，能够大幅改善电子注与慢波在所述结构内的驻波互作用，保证较大带宽的同时确保了结构的电子束通道较大、工作频带内的耦合阻抗较高；并且，进一步提出金属外壳与加载盘片分离设计、再通过金属外壳上开设的匹配于加载盘片的倾斜缝隙将加载盘面密封固定于金属外壳上的结构，基于此结构能够采用金属外壳与扇面状盘片单独加工后再装配的加工方式，确保加载盘片的一致性、从而保证器件各单元空间周期的一致性，完美适用于小尺寸的太赫兹行波管的工业化生产，并且具有生产效率高、成品率高的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种适用于太赫兹行波管的慢波结构，其特征在于，所述慢波结构呈圆筒状，由圆筒状金属外壳、以及固定设置于圆筒状金属外壳内壁的两排扇面状盘片构成，所述两排扇面状盘片正对设置、且一一对应；每一个扇面状盘片结构相同、尺寸相同，且采用相同倾斜角度α固定于圆筒状金属外壳内壁。

进一步的，所述倾斜角度α为扇面状盘片所在平面与金属外壳的圆形横截面的夹角，α的取值范围为0°<α≤70°。

进一步的，所述扇面状盘片的圆心角为β，β的取值范围为30°<β<180°。

进一步的，所述圆筒状金属外壳的侧壁开设有两排倾斜角度为α的倾斜缝隙；所述扇面状盘片由外圆环与内圆环构成(外圆环的内弧与内圆环的外弧形状、尺寸相匹配)，所述扇面状盘片沿倾斜缝隙插入圆筒状金属外壳，并形成外圆环与圆筒状金属外壳密封固定、内圆环贴附于圆筒状金属外壳内壁的结构。

更进一步的，上述适用于太赫兹行波管的慢波结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1.预加工金属外壳：采用线切割或激光切割工艺于圆筒状金属外壳的侧壁上按照倾斜角度为α开设两排倾斜缝隙；

步骤2.制备金属盘片：基于厚度与步骤1所得倾斜缝隙相匹配的金属片，采用线切割的方式于金属片上切割得到扇面状盘片；

步骤3.按照倾斜缝隙与类扇面盘片一一对应的关系，将扇面状盘片沿倾斜缝隙插入圆筒状金属外壳、并焊接固定。

需要说明的是，本发明中“扇面状盘片”为单一盘片图形化切割形成，其本质为一个整体、而非外圆环与内圆环结构焊接构成，外圆环与内圆环仅仅用于表述“类扇面盘片”的准确形状，如图2所示。所述两排扇面状盘片正对设置指：每一排扇面状盘片中所有扇面状盘片的中心点均位于同一直线上、且两条直线与圆筒状金属外壳的中心轴位于同一平面上，每一排扇面状盘片中所有扇面状盘片等间隔排布，即相邻扇面状盘片的间距均相同。所述扇面状盘片的圆心角即为内圆环的圆心角。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种适用于太赫兹行波管的盘片加载慢波结构，将传统的矩形交错栅慢波结构的外壁改为圆形，并将加载的盘片改为倾斜设置的扇面状盘片，大幅提高了电子注通道尺寸，改善了电子注与电磁波在所述结构内的互作用强度。具体来说，具有相同的电流密度、电子速度的电子注在相同聚束磁场中的横向波动大致相同；对于传统的矩形交错栅行波管而言，由于其内电场在横向上均匀分布，所以当电子注通道尺寸增加时，必然导致通道内的电场强度下降，那么为了保证互作用的强度并避免电子击打在器件上，只能减小器件内的电子注尺寸，则其结构本身和工作模式限制着电子注通道尺寸和耦合阻抗。而当采用本发明所设计的倾斜设置的扇面状盘片交错栅结构时，由于器件外壁为圆波导，场向中心集中；在此基础上，采用了扇形盘片的结构，使场进一步集中在电子注通道区域；另外，采用倾斜盘片也大幅增加了电场的纵向分量，增强了注波互作用强度。综上所述，在相同工作频带、工作带宽下，采用本发明的圆柱形电子注通道、倾斜扇面状盘片的交错栅结构与传统的矩形交错栅结构相比，电子注通道尺寸及耦合阻抗等性能均具有极大的优势；并且，通过调节结构参数可以适应不同的工作频率范围。

同时，为了匹配小尺寸的太赫兹行波管的需求，本发明基于上述慢波结构，进一步提出金属外壳与加载盘片分离设计、再通过金属外壳上开设的匹配于加载盘片的倾斜缝隙将加载盘面密封固定于金属外壳上的结构；采用该结构，慢波结构能够采用金属外壳与加载盘片单独加工后再装配的加工方式，具有如下优点：1)降低了器件整体加工难度，2)在太赫兹频段内，由于器件尺寸较小，慢波结构中加载的盘片厚度也相应降低，采用本发明的加工方式，加载盘片能够单独批量生产，大幅提高加工效率的同时，保证了加载盘片的一致性，避免了各空间周期会产生的如弯曲、薄厚不均、尺寸不一等问题，即保证了器件中各空间周期的一致性，从而保障器件的工作性能；3)金属外壳与加载盘片单独加工能够避免整体加工时器件某处存在精度等问题导致器件整体报废的情况，进而大幅提高成品率。

附图说明

图1为本发明实施例中倾斜扇面盘片加载的慢波结构的结构示意图。

图2为本发明实施例中倾斜扇面金属盘片的加工示意图及结构图。

图3为本发明实施例中带缝隙的圆筒状金属外壳的结构示意图。

图4为本发明实施例中基于倾斜扇面盘片加载的慢波结构构成的太赫兹行波管的结构示意图。

图5为本发明实施例中倾斜扇面盘片加载的慢波结构的耦合阻抗曲线图。

图6为本发明实施例中对比例的耦合阻抗曲线与电场分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明；为了更好地说明实施例，附图会进行放大或缩小，并不代表真实尺寸。

本实施例提供一种适用于太赫兹行波管的慢波结构，其结构如图1所示，包括：圆筒状金属外壳及若干个扇面状盘片；其中，扇面状盘片如图2所示，内圆环半径为0.3mm，外圆环半径为0.68mm；圆筒状金属外壳如图3所示，结构外半径为0.78mm，内半径为0.68mm，扇片倾斜角度α为15°，圆心角β为140°；按照倾斜缝隙与类扇面盘片一一对应的关系，将类扇面盘片沿倾斜缝隙插入圆筒状金属外壳、并焊接固定，使圆筒金属外壳内形成多个单元空间周期，每个单元空间的纵向长度为0.95mm。

本实施例中上述慢波结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1.预加工金属外壳：采用线切割或激光切割的工艺于圆筒状金属外壳的侧壁开设两排倾斜缝隙；

步骤2.制备金属盘片：基于厚度与步骤1所得倾斜缝隙相匹配的金属片，采用线切割或激光切割的工艺于金属片上切割得到类扇面盘片；

步骤3.按照倾斜缝隙与类扇面盘片一一对应的关系，将类扇面盘片沿倾斜缝隙插入圆筒状金属外壳、并焊接固定，使圆筒金属外壳内形成多个单元空间周期。

另外，慢波结构中的圆筒状金属外壳的外径，倾斜扇面盘片的外径、内径，倾斜角度α，圆心角β都是核心可调节参数；只要在上述慢波结构的限定下，所述可调节参数均可以根据应用指标需求通过仿真进行适应性调节，使得器件在满足应用需求的同时具有优异的性能，这也是本发明慢波结构的显著优势，即适应性强；例如，通过对上述各结构参数进行相同倍数的调整，可改变所述器件的工作频率；又例如，当需要更大的工作带宽时，可以通过增加中心电子束通道的孔径大小(倾斜扇面盘片的内径)、降低盘片的扇片角面积(圆心角β)、增加盘片的倾斜角度(倾斜角度α)及增加器件整体外半径(圆筒状金属外壳的外径)等方式实现；当需要更大的工作功率或耦合阻抗时，可以通过增加盘片的扇片角面积(圆心角β)、降低盘片的倾斜角度(倾斜角度α)及降低器件整体外半径(圆筒状金属外壳的外径)等方式实现。

基于上述类扇面盘片加载的慢波结构，构成相应的太赫兹波段行波管，如图4所示，所述类扇面盘片加载的慢波结构1两端分别对称设置有方转圆模式转换器2、电子注外通道3、矩形转弯波导4、矩形过度波导5及标准波导接口6；更为具体的讲，本实施例工作于140GHz频段，当在标准波导接口上外接输入信号时，该信号经矩形转弯波导及矩形过度波导进入慢波结构；另一方面，电子注经加速电压加速后，从电子注外通道中入射，所述加速电压使得所述电子的空间电荷波速度略大于所述信号在高频结构中的相速，进而将能量交给输入信号，使信号能量增大，并再次经对称位置的矩形转弯波导及矩形过度波导输出到标准输出接口，从而实现信号的放大。

对上述太赫兹波段行波管进行仿真测试，同时，本实施例中还以文献“赖剑强，魏彦玉，许雄，沈飞，刘洋，黄民智，唐涛，宫玉斌.140GHz大功率交错双栅行波管的设计和模拟研究[J].物理学报,2012Vol.61,178501:1-6作为参考”作为对比例；如图5所示为本实施例中倾斜扇面盘片加载的慢波结构的耦合阻抗曲线图，如图6所示为对比例的耦合阻抗曲线图及电场分布，由图可见，当工作在相同频带内时，本发明的带宽更宽，耦合阻抗更大；另外，从图中也可以看出，本发明的电子束通道面积也明显大于对比例中的结构，由此可见本发明的显著优势。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种适用于太赫兹行波管的慢波结构，其特征在于，所述慢波结构呈圆筒状，由圆筒状金属外壳、以及固定设置于圆筒状金属外壳内壁的两排扇面状盘片构成，所述两排扇面状盘片正对设置、且一一对应；每一个扇面状盘片结构相同、尺寸相同，且采用相同倾斜角度α固定于圆筒状金属外壳内壁；所述倾斜角度α为扇面状盘片所在平面与金属外壳的圆形横截面的夹角，α的取值范围为0°<α≤70°。

2.按权利要求1所述适用于太赫兹行波管的慢波结构，其特征在于，所述扇面状盘片的圆心角为β，β的取值范围为30°<β<180°。

3.按权利要求1所述适用于太赫兹行波管的慢波结构，其特征在于，所述圆筒状金属外壳的侧壁开设有两排倾斜角度为α的倾斜缝隙；所述扇面状盘片由外圆环与内圆环构成，所述扇面状盘片沿倾斜缝隙插入圆筒状金属外壳，并形成外圆环与圆筒状金属外壳密封固定、内圆环贴附于圆筒状金属外壳内壁的结构。

4.按权利要求3所述适用于太赫兹行波管的慢波结构，其特征在于，上述适用于太赫兹行波管的慢波结构的加工方法，包括以下步骤：

步骤1.预加工金属外壳：采用线切割或激光切割工艺于圆筒状金属外壳的侧壁上按照倾斜角度为α开设两排倾斜缝隙；

步骤2.制备金属盘片：基于厚度与步骤1所得倾斜缝隙相匹配的金属片，采用线切割的方式于金属片上切割得到扇面状盘片；

步骤3.按照倾斜缝隙与类扇面盘片一一对应的关系，将扇面状盘片沿倾斜缝隙插入圆筒状金属外壳、并焊接固定。

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