CN114360988B - 一种v形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管，包括V形金属栅、带状电子注通道、信号截断装置以及矩形金属外壳；当输入信号以TE模式经输入端口逐渐传播至渐变结构区，再经过渐变结构的模式转换，将矩形波导中TE模式的电磁信号转换为能与电子注进行互作用的TM模式，电子注在高频场信号的作用下发生速度调制和密度调制效应，此后，一方面，输入信号以及结构所产生的反射信号被信号截断装置所截断，另一方面，群聚了的电子注经信号截断装置可无损传输至行波管第二段，并且重新在V形矩形槽交错双栅波导慢波结构上激励起电磁波信号，而后再度与电子注进行互作用，实现信号的最终放大。

Description

一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管

技术领域

本发明属于行波管功率放大器技术领域，更为具体地讲，涉及一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管。

背景技术

作为一种微波功率器件，行波管具有非常广泛的应用领域，其具有宽频带、高增益、高效率、高稳定性和较长的寿命等优势，但大多数情况下，行波管的工作带宽和增益特性往往不能兼得，高增益往往意味着窄带宽，而宽带宽却又面临着增益不会很高的窘境。因此依据不同的工作特征，决定行波管主要工作特性的慢波结构也有所不同。

在众多不同种类的慢波结构中，交错双栅波导慢波结构作为一种常见的带状注慢波结构，不仅具备较高的增益特性和相对较宽的工作频带，其全金属结构更能显著提升行波管的功率容量以及稳定性，从而可获得更高的输出功率。但随着工作频率的提升，特别是提升至亚毫米波段时，输出功率会因为表面金属损耗的增加而急剧下降，无法满足实际需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管，通过在V形交错双栅波导慢波结构中引入矩形槽结构作为电子束通道，使得在不严重影响色散曲线的情况下，进一步加大了慢波结构的电子束通道尺寸，增大了输入电流，又同时因为多出了电子束两边对称分布的栅结构而加大了慢波结构的耦合阻抗，增益得到进一步提升。

为实现上述发明目的，本发明为一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管，其特征在于，包括：V形金属栅、带状电子注通道、信号截断装置以及矩形金属外壳；

所述V形金属栅包含V形矩形槽交错双栅波导慢波结构和渐变结构两部分，其中，将V形矩形槽交错双栅波导慢波结构简称为慢波结构；

所述慢波结构是由两根不同宽度和长度的矩形条交叉而成的十字架形结构，其中，十字架纵向矩形条的宽度与高度分别等于电子束通道的宽度b和高度a，十字架横向矩形条的宽度与高度分别等于慢波结构宽边的宽度c和上下栅结构之间的间隔长度d；慢波结构为两个开口方向相向的V字形形状，且该V字形形状以慢波结构的宽边中心为对称面；

所述V形金属栅呈半周期交错分布，且V形金属栅中间区域带有缺口，缺口的宽度等于电子束通道宽度b；V形金属栅包含上下两部分，其中，位于上半部分的V形金属栅，开口方向与电子束运动方向相反，而位于下半部分的V形金属栅，开口方向与电子束运动方向相同；

所述渐变结构的形状与慢波结构的形状保持一致，其区别在于渐变结构中单个V形金属栅的高度值比慢波结构中V形金属栅的高度值有所减小，即每隔一个周期长度，高度值以等差值ed进行等差缩减渐变，且渐变为单向渐变方式，即与金属壳区域相连接的V形金属栅的位置坐标保持不变，仅仅通过增大上下两部分V形金属栅之间的间隔大小来减小栅的高度值；

所述带状电子注通道采用矩形槽结构，位于慢波结构的宽边中心，矩形槽高度与宽度等于电子注束通道高度a和宽度b，用于截止行波信号，保证群聚了的电子注顺利通过；

所述信号截断装置用于抑制行波管中的振荡信号，其结构包含弯曲耦合波导结构和输入输出矩形波导结构，插入位置为行波管中间区域靠近阴极方向，且间隔15个周期长度，15个周期长度中包括10个周期的慢波结构和具有5个周期长度的V形金属栅渐变结构；

所述矩形金属外壳与V形金属栅结构材料特性一致，作为行波管的屏蔽装置，用于屏蔽外界的电磁干扰；在矩形金属外壳两侧设置有电子注通道的输入、输出端口，分别用于连接带状注电子枪和收集极；

V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管运行时，0.22THz输入信号以TE模式经输入端口逐渐传播至渐变结构区，再经过渐变结构的模式转换，将矩形波导中TE模式的电磁信号转换为能与电子注进行互作用的TM模式，电子注在高频场信号的作用下发生速度调制和密度调制效应，此后，一方面，输入信号以及结构所产生的反射信号被信号截断装置所截断，另一方面，群聚了的电子注经信号截断装置可无损传输至行波管第二段，并且重新在V形矩形槽交错双栅波导慢波结构上激励起电磁波信号，而后再度与电子注进行互作用，实现信号的最终放大。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管，包括V形金属栅、带状电子注通道、信号截断装置以及矩形金属外壳；当输入信号以TE模式经输入端口逐渐传播至渐变结构区，再经过渐变结构的模式转换，将矩形波导中TE模式的电磁信号转换为能与电子注进行互作用的TM模式，电子注在高频场信号的作用下发生速度调制和密度调制效应，此后，一方面，输入信号以及结构所产生的反射信号被信号截断装置所截断，另一方面，群聚了的电子注经信号截断装置可无损传输至行波管第二段，并且重新在V形矩形槽交错双栅波导慢波结构上激励起电磁波信号，而后再度与电子注进行互作用，实现信号的最终放大。

同时，本发明一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管还具有以下有益效果：

(1)、本发明采用截断信号的方式来抑制振荡，通过在行波管中插入信号截断装置，从而使得单段行波管被分为两段，也使得传输信号因被截断而无法通过，与此同时，被群聚了的电子束可以无损通过而后再次激发同频率电磁波信号，从而达到显著抑制振荡信号的同时又不影响后续输出，使得行波管的输出功率和效率得到进一步提升；

(2)、本发明采用在金属栅的高度和宽度上具有等差渐变特性的渐变结构和槽波导到矩形波导的过渡结构，使得反射信号被有效抑制，同时还可获得41GHz的通频带宽；

(3)、本发明所述慢波结构在原有V形交错双栅波导慢波结构基础上引入了对称分布的V形栅结构，可以显著提升基于V形交错双栅波导慢波结构行波管的耦合阻抗，与此同时还能保证慢波结构色散曲线的平滑性，在大幅提升了行波管增益的同时，还能保证工作带宽不被大幅减少。

附图说明

图1是本发明一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管的一种具体实施方式架构图；

图2是单周期V形矩形槽交错双栅波导慢波结构示意图；

图3是渐变结构示意图；

图4是信号截断装置的结构示意图；

图5是弯曲耦合波导结构示意图；

图6是V形矩形槽交错双栅波导慢波结构的色散曲线图；

图7是V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管的传输特性曲线图；

图8是输出功率及增益大小与输入功率关系曲线图；

图9是输出功率及增益大小与信号频率关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管的一种具体实施方式架构图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管，包括：V形金属栅1、带状电子注通道2、信号截断装置3以及矩形金属外壳4；

V形金属栅1包含V形矩形槽交错双栅波导慢波结构101和渐变结构102两部分，其中，将V形矩形槽交错双栅波导慢波结构101简称为慢波结构；

在本实施例中，单个周期的慢波结构101的示意图，如图2(a)所示。

如图2(b)所示，慢波结构的左视图形状表现为一个十字架形结构，具体由两根不同宽度和长度的矩形条交叉而成，其中，十字架纵向矩形条的宽度与高度分别等于电子束通道的宽度b＝0.2mm和高度a＝0.85mm，十字架横向矩形条的宽度与高度分别等于慢波结构宽边的宽度c＝0.85mm和上下栅结构之间的间隔长度d＝0.04mm；

如图2(c)所示，慢波结构的俯视图形状表现为两个开口方向相向的V字形形状，且该V字形形状以慢波结构的宽边中心为对称面；

慢波结构的周期长度p＝0.5mm，V形金属栅呈半周期交错分布，且V形金属栅中间区域带有缺口，缺口的宽度等于电子束通道宽度b；其中，V形金属栅的厚度为s＝0.1mm和夹角大小为2θ，其中，θ为慢波结构的横截面与V形金属栅之间的夹角，且θ＝10°；另外，V形金属栅包含上下两部分，其中，位于上半部分的V形金属栅，开口方向与电子束运动方向相反，而位于下半部分的V形金属栅，开口方向与电子束运动方向相同；

如图2(d)所示，慢波结构的正视图形状表现为上下交错分布的两个标准交错双栅波导结构，其高度为h＝0.3mm，宽度为

渐变结构的形状与慢波结构的形状保持一致，其区别在于渐变结构中单个V形金属栅的高度值比慢波结构中V形金属栅的高度值有所减小，即每隔一个周期长度，高度值以ed＝0.06mm的等差值进行等差缩减渐变，且渐变为单向渐变方式，即与金属壳区域相连接的V形金属栅的位置坐标保持不变，仅仅通过增大上下两部分V形金属栅之间的间隔大小来减小栅的高度值，为了减少反射，渐变结构至少包含5个周期数的等差渐变；

在本实施例中，图3(a)为渐变结构的正视图，ed即V形金属栅在高度上每过一个周期进行一次等差变换的等差值，仿真发现当等差值ed等于0.06mm时，可得到最佳S参数分布；图3(b)为渐变结构示意图，总共进行5个周期的等差渐变，单个周期长度为p，由图可以明显看出，栅结构之所以为V形栅结构，正是因为金属栅与慢波结构横截面之间存在一个角度为θ的夹角。通过图3所示的渐变结构图可知，渐变结构在金属栅的高度和宽度上都分别具有渐变特性，渐变特性表现为等差渐变，共5个渐变周期，且渐变结构的周期长度值与慢波结构的周期长度值一致，都为p＝0.5mm，该渐变结构一方面主要用于将槽波导中的TE模式转换为慢波结构中进行互作用的TM模式，因此也叫做模式转换结构，另一方面则主要是为了降低反射信号，从而达到抑制振荡的效果。

带状电子注通道采用矩形槽结构，位于慢波结构的宽边中心，矩形槽高度与宽度等于电子注束通道高度a＝0.85mm和宽度b＝0.2mm，用于截止行波信号，保证群聚了的电子注顺利通过；

信号截断装置用于抑制行波管中的振荡信号，如图4所示，其结构包含输入输出矩形波导结构和弯曲耦合波导结构，插入位置为行波管中间区域靠近阴极方向，且间隔15个周期长度，15个周期长度中包括10个周期的慢波结构和具有5个周期长度的V形金属栅渐变结构；

在本实施例中，图4所示为基于V形矩形槽交错双栅波导慢波结构中抑制振荡信号的信号截断装置。其中，401为输入输出矩形波导结构，402为弯曲耦合波导结构。本发明所采用抑制振荡的方式为截断传输信号的方式，如图4所示，在高频系统中传输的电磁波信号在经过截断结构处时，由于信号的传输通道渐变到只有电子束通道尺寸，慢波信号无法通过，从而截断了反射信号的传输。虽然该截断结构同时也会将有效信号截断，但由于通过信号截断结构的电子注，已经在信号截断前的第一段行波管区域得到了有效的调制而产生群聚效应，群聚后的电子注在通过信号截断结构之后可以在第二段行波管慢波结构上重新激励起电磁场，从而实现了信号的有效放大和正常输出。

如图4所示，输入输出矩形波导结构401的尺寸与标准矩形波导结构尺寸有所差异，其宽边尺寸wa等于慢波结构的宽边宽度c＝0.85mm，窄边尺寸wb＝2h+d，长度为慢波结构的一个周期长度p＝0.5mm；

在本实施例中，弯曲耦合波导结构作为连接渐变结构与输入输出矩形波导结构的过渡结构，弯曲耦合波导结构分为三部分，如图5所示，分别为电子注垂直通过的槽波导结构501、扇形波导结构502、槽波导到矩形波导的过渡结构503；其中，槽波导结构501与渐变结构相连接，槽波导结构与慢波结构具有相同的波导宽度、波导高度以及槽宽和槽深；扇形波导结构502位于槽波导结构和槽波导到矩形波导过渡结构之间，以槽波导到矩形波导过渡结构503和槽波导结构501交界线的中点O为圆心，电子注束通道高度a为半径，顺时针旋转90°，即可得到扇形波导结构502；槽波导到矩形波导的过渡结构503通过槽深度的连续渐变方式，其渐变长度为慢波结构周期长度的1.5倍，使得槽深度从有到无，逐渐由槽波导渐变至输入输出矩形波导结构；

矩形金属外壳与V形金属栅结构材料特性一致，都为无氧铜，作为行波管的屏蔽装置，用于屏蔽外界的电磁干扰；在矩形金属外壳两侧设置有电子注通道的输入、输出端口，分别用于连接带状注电子枪和收集极；

V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管运行时，0.22THz输入信号以TE模式经输入端口逐渐传播至渐变结构区，再经过渐变结构的模式转换，将矩形波导中TE模式的电磁信号转换为能与电子注进行互作用的TM模式，电子注在高频场信号的作用下发生速度调制和密度调制效应，此后，一方面，输入信号以及结构所产生的反射信号被信号截断装置所截断，另一方面，群聚了的电子注经信号截断装置可无损传输至行波管第二段，并且重新在V形矩形槽交错双栅波导慢波结构上激励起电磁波信号，而后再度与电子注进行互作用，实现信号的最终放大。由于V形矩形槽交错双栅波导慢波结构中既具有对称栅的分布特征，又具有交错栅的分布特征，因此该类型慢波结构行波管将在相对较宽的带宽下获得更大的增益特性。

图6为V形矩形槽交错双栅波导慢波结构的色散曲线图，也是模式分布图。其中，图6给出了基模Mode 1，以及该慢波结构中部分高次模式Mode 2、3、4的分布情况，由于工作在模式1，即基模Mode 1情况下，电压线将交于高次模式的π点附近，导致后续的PIC优化过程中无法避开振荡的产生，造成输出功率的显著下降和不稳定性，因此为了避开高次模式π点附近造成的振荡，本发明通过各个结构参数的不断优化，最终选取图6中模式2，即Mode 2为工作模式。根据220GHz处归一化相速度大小，得到21.7kV束电压线如图所示，该电压线与模式2曲线相切部分较多，将获得显著的宽带宽优势。虽然束电压线交于高次模式Mode 3的前向波区和Mode 4的返波区，但交点处并没有明显的耦合阻抗值，因此不会对输出造成太大的影响，同时交点区较好的避开了模式3和模式4的π点附近，避免了振荡。

图7为V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管的传输特性曲线图。其中，横坐标Frequency表示信号频率，单位为GHz，纵坐标Magnitude表示传输系数S21和反射系数S11的幅度值，单位为dB，该行波管只包含输入输出端口以及100个周期数的慢波结构。由图可知，本发明中弯曲耦合波导结构和渐变结构的设计可以获得40GHz以上的通带宽度，S11参数从197到240GHz的频率范围内低于-15dB，由于工作在高频段，且金属材料为无氧铜，相应电导率设置为2.0×10⁷s/m，所以传输参数S21在-7.5dB以下。

图8为输出功率(Pout)及增益大小(Gain)与输入功率(Pin)关系曲线图。该曲线所用行波管加载了信号截断结构，其中，带空心三角形符号曲线表示输出功率大小与输入功率的关系，带实心的圆形符号曲线即相对应的增益曲线，由图可知，当输入功率为20mW时，可达最大输出功率为49.5W。

图9为输出功率(Pout)及增益大小(Gain)与信号频率(Frequency)关系曲线图。采用信号截断结构抑制振荡信号之后，本发明中基于V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管的3-dB带宽为24GHz，相应的频率范围为211到235GHz，当输入信号频率为225GHz时，可获得最大输出功率为45.6W，相应的最大增益大小为36.59dB，由于工作在高次模式，工作电压为21.75kV，电子效率为1.4％。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管，其特征在于，包括：V形金属栅、带状电子注通道、信号截断装置以及矩形金属外壳；

所述V形金属栅包含V形矩形槽交错双栅波导慢波结构和渐变结构两部分，其中，将V形矩形槽交错双栅波导慢波结构简称为慢波结构；

所述慢波结构是由两根不同宽度和长度的矩形条交叉而成的十字架形结构，其中，十字架纵向矩形条的宽度与高度分别等于电子束通道的宽度b和高度a，十字架横向矩形条的宽度与高度分别等于慢波结构宽边的宽度c和上下栅结构之间的间隔长度d；慢波结构为两个开口方向相向的V字形形状，且该V字形形状以慢波结构的宽边中心为对称面；

所述V形金属栅呈半周期交错分布，且V形金属栅中间区域带有缺口，缺口的宽度等于电子束通道宽度b；V形金属栅包含上下两部分，其中，位于上半部分的V形金属栅，开口方向与电子束运动方向相反，而位于下半部分的V形金属栅，开口方向与电子束运动方向相同；所述渐变结构的形状与慢波结构的形状保持一致，其区别在于渐变结构中单个V形金属栅的高度值比慢波结构中V形金属栅的高度值有所减小，即每隔一个周期长度，高度值以等差值ed进行等差缩减渐变，且渐变为单向渐变方式，即与金属壳区域相连接的V形金属栅的位置坐标保持不变，仅仅通过增大上下两部分V形金属栅之间的间隔大小来减小栅的高度值；

所述带状电子注通道采用矩形槽结构，位于慢波结构的宽边中心，矩形槽高度与宽度等于电子注束通道高度a和宽度b，用于截止行波信号，保证群聚了的电子注顺利通过；

所述信号截断装置用于抑制行波管中的振荡信号，其结构包含输入输出矩形波导结构和弯曲耦合波导结构，插入位置为行波管中间区域靠近阴极方向，且间隔15个周期长度，15个周期长度中包括10个周期的慢波结构和具有5个周期长度的V形金属栅渐变结构；

所述输入输出矩形波导结构的宽边尺寸wa等于慢波结构的宽边宽度c，长度为慢波结构的一个周期长度p；

所述弯曲耦合波导结构作为连接慢波结构与输入输出矩形波导结构的过渡结构，弯曲耦合波导结构分为三部分，分别为电子注垂直通过的槽波导结构、扇形波导结构、槽波导到矩形波导的过渡结构；其中，槽波导结构与渐变结构相连接，槽波导结构与慢波结构具有相同的波导宽度、波导高度以及槽宽和槽深；扇形波导结构位于槽波导结构和槽波导到矩形波导过渡结构之间，以槽波导到矩形波导过渡结构和槽波导结构交界线的中点为圆心，电子注束通道高度a为半径，顺时针旋转90°，即可得到扇形波导结构；槽波导到矩形波导的过渡结构通过槽深度的连续渐变方式，其渐变长度为慢波结构周期长度p的1.5倍，使得槽深度从有到无，逐渐由槽波导渐变至输入输出矩形波导；

所述矩形金属外壳与V形金属栅结构材料特性一致，作为行波管的屏蔽装置，用于屏蔽外界的电磁干扰；在矩形金属外壳两侧设置有电子注通道的输入、输出端口，分别用于连接带状注电子枪和收集极；

V形矩形槽交错双栅波导慢波结构行波管运行时，0.22THz输入信号以TE模式经输入端口逐渐传播至渐变结构区，再经过渐变结构的模式转换，将矩形波导中TE模式的电磁信号转换为能与电子注进行互作用的TM模式，电子注在高频场信号的作用下发生速度调制和密度调制效应，此后，一方面，输入信号以及整个慢波结构所产生的反射信号被信号截断装置所截断，另一方面，群聚了的电子注经信号截断装置可无损传输至行波管第二段，并且重新在V形矩形槽交错双栅波导慢波结构上激励起电磁波信号，而后再度与电子注进行互作用，实现信号的最终放大。

2.根据权利要求1所述的一种V形矩形槽交错双栅慢波结构行波管，其特征在于，所述V形金属栅的厚度为s和夹角大小为2θ，其中，θ为慢波结构的横截面与V形金属栅之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种V形矩形槽交错双栅慢波结构行波管，其特征在于，所述渐变结构包含5个周期数的等差渐变。

Images