CN114783847B - 基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，涉及微波真空电子技术领域，其技术方案要点是：包括电子注通道以及呈纵向交错排列的上排栅和下排栅，所述上排栅和下排栅均包括矩形波导段和曲折波导段，矩形波导段与相应的曲折波导段相切设置；所述电子注通道沿纵向贯穿上排栅和下排栅中的矩形波导段。本发明将与电子注正交处附近的曲折波导用矩形波导代替，将常规交错双栅结构与常规曲折波导结构融合设计，实现了工作频带更宽、耦合阻抗更高、电子效率更高以及损耗更低的性能提升。

Description

基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构
技术领域
本发明涉及微波真空电子技术领域，更具体地说，它涉及基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构。
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。慢波结构是行波管的核心部分，其性能优劣直接决定整管的性能。慢波结构是一种周期结构，由于在周期系统中传播的波，结构具有空间周期性，波的场分布呈现非简谐的周期性，可以分为无数个空间谐波。慢波结构通过降低电磁波的相速度，当电磁波的某一次空间谐波与电子注满足同步条件时，电子注与电磁场会发生互作用，电磁波信号的功率可以得到放大。
全金属慢波结构由于其结构具有机械强度高、散热好、功率容量大、频带宽、输能结构简单以及易于加工等特点被国内外学者广泛研究与应用。在毫米波和太赫兹频段，曲折波导慢波结构和交错双栅慢波结构在行波管中应用最为广泛，如图1所示，常规曲折波导是将矩形波导沿轴线方向按一定节距弯曲所形成的一种慢波系统，具有坚固的结构，高功率容量以及较宽的带宽，但其圆形电子注通道的加工难度较大，在太赫兹波段的传输损耗较大；如图2所示，常规交错双栅慢波结构是在矩形波导两宽边内壁加载相互交错的金属矩形栅所构成的栅加载矩形波导结构，具有较宽的带宽，易于加工，具有天然的电子注通道，能够适用于带状电子注，互作用面积大，散热性好，功率容量高，但它具有较强的反射和较大的传输损耗，且由于纵向电场较弱，交错双栅慢波结构的耦合阻抗偏低，从而导致了行波管的输出功率和增益较低。
因此，设计宽带宽、高耦合阻抗、低损耗和高电子效率的新型慢波结构成为改善行波管性能主要方向之一。国内外学者研究设计新型慢波结构，多数单从交错双栅慢波结构或曲折波导慢波结构做出优化，并未有将交错双栅慢波结构与曲折波导慢波结构做融合设计。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，融合常规交错双栅和曲折波导的优点，实现了工作频带更宽、耦合阻抗更高、电子效率更高以及损耗更低的性能提升。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，包括电子注通道以及呈纵向交错排列的上排栅和下排栅，所述上排栅和下排栅均包括矩形波导段和曲折波导段，矩形波导段与相应的曲折波导段相切设置；所述电子注通道沿纵向贯穿上排栅和下排栅中的矩形波导段。
进一步的，所述矩形波导段呈矩形体。
进一步的，所述曲折波导段沿电场面周期性折叠。
进一步的，所述电子注通道正交贯穿上排栅和下排栅中的矩形波导段。
进一步的，所述电子注通道的中心与上排栅中的矩形波导段中心以及下排栅中的矩形波导段中心重合。
进一步的，所述上排栅和下排栅均由高导无氧铜材料制备而成。
进一步的，所述上排栅和下排栅的表面粗糙度为1μm。
进一步的，该新型慢波结构在工作区带宽范围为83GHz-123GHz的归一化相速度为0.251-0.256。
进一步的，该新型慢波结构处于提高耦合阻抗的通频带范围为80GHz-128GHz。
进一步的，该新型慢波结构处于降低传输损耗的通频带范围为80GHz-110GHz或80GHz-128GHz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，将与电子注正交处附近的曲折波导用矩形波导代替，将常规交错双栅结构与常规曲折波导结构融合设计，实现了工作频带更宽、耦合阻抗更高、电子效率更高以及损耗更低的性能提升；
2、本发明中归一化相速度在工作区带宽内(83GHz-123GHz)范围为0.251～0.256，色散特性曲线显示本发明提供的慢波结构相速度随频率的变化较为平缓，保证了本发明有较宽的带宽；
3、本发明与常规交错双栅结构和常规曲折波导结构相比，在通频带(80GHz-128GHz)内，本发明提供的慢波结构耦合阻抗明显高于常规交错双栅慢波结构与常规曲折波导结构，本发明中的慢波结构可以实现更高的增益和更大的功率；
4、本发明与常规交错双栅结构相比，在通频带(80GHz-128GHz)内，本发明提供的慢波结构传输损耗明显低于常规交错双栅慢波结构；与常规曲折波导结构相比，在工作区带宽内(80GHz-110GHz)，本发明提供的慢波结构的传输损耗明显低于常规曲折波导慢波结构，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。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是常规曲折波导慢波结构真空部分的单周期结构示意图；
图2是常规矩形波导慢波结构真空部分的单周期结构示意图；
图3是本发明实施例中新型慢波结构真空部分的单周期结构示意图；
图4是图1中真空部分对应的金属栅部分的单周期结构示意图；
图5是本发明实施例中新型慢波结构真空部分的另一视角的结构示意图；
图6是本发明实施例中新型慢波结构真空部分的多周期结构示意图；
图7是本发明实施例中的归一化相速度对比图；
图8是本发明实施例中的耦合阻抗对比图；
图9是本发明实施例中的欧姆损耗对比图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、上排栅；2、下排栅；3、电子注通道；4、矩形波导段；5、曲折波导段。
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。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，如图4所示，包括电子注通道3以及呈纵向交错排列的上排栅1和下排栅2，上排栅1和下排栅2均包括矩形波导段4和曲折波导段5，矩形波导段4与相应的曲折波导段5相切设置；所述电子注通道3沿纵向贯穿上排栅1和下排栅2中的矩形波导段4。
如图3与图4所示，上排栅1和下排栅2之间设有距离，上排栅1中的矩形波导段4侧壁和曲折波导段5的曲面以及下排栅2中的矩形波导侧壁和曲折波导段5相切，上排栅1、下排栅2以及两者之间的间隙所围成的真空部分将波导分为矩形波导段4和曲折波导段5，矩形波导段4和呈矩形体，曲折波导段5沿电场面周期性折叠使电磁波沿曲折路径传输。
如图6所示，本发明提供的新型慢波结构是一种周期性结构，上排栅1中的矩形波导段 4、曲折波导段5与下排栅2中对应的矩形波导段4、曲折波导段5结构相同。
如图3与图5所示，真空模型以外的空白部分皆为金属栅模型，p为慢波结构的周期长度，h1为慢波结构高度，b为慢波结构宽边长度，w为曲折波导段5的高度，r为矩形波导段4宽度，rdx为电子注通道3宽边长度，rdy为电子注通道3窄边长度。作为一种可选的实施方式，其结构尺寸为(单位：mm)：p＝1.16，h1＝1.4，h2＝1.27，b＝1.95，w＝0.3。需要说明的是，慢波结构的尺寸参数可根据需要进行调整，不限于本实施例中所记载的尺寸大小。
本实施例中，相较与常规的曲折波导慢波结构，电子注通道3沿纵向贯穿矩形波导，使工作模式的场集中分布在驻波互作用空间的区域中，增强了栅相邻间隙中的纵向电磁场，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。
本实施例中，相较与常规的交错双栅慢波结构，电子注通道3沿纵向贯穿矩形波导，使工作模式的场集中分布在驻波互作用空间的区域中，增强了栅相邻间隙中的纵向电磁场，在非注波互作用的区域利用曲折波导的弯曲结构代替交错双栅正交的结构，使得电磁波可以平滑地在金属表面传输，从结构上降低了损耗，合理融合交错双栅结构与曲折波导结构，促进了电子注与电磁场之间的能量交换，提高了耦合阻抗、降低了损耗并且提高了电子效率，弥补了常规曲折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。
上排栅1和下排栅2的材质均为高导无氧铜，高导无氧铜表面的粗糙度为1μ，也可以采用其他可形成波导结构的金属材料，在此不受限制。
在本实施例中，图1-图4中所示的电子注通道3尺寸一致。
利用三维电磁仿真软件HFSS分别对以上记载的常规曲折波导和双电子注通道3曲折波导进行计算，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7、图8、图9所示。图7-9中，SF为本发明的参数线条，SG为常规交错双栅结构的参数线条，FW为常规曲折波导结构的参数线条。
如图7所示，本发明归一化相速度在工作区带宽内(83GHz-123GHz)范围为0.251-0.256 色散特性曲线显示本发明提供的慢波结构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8所示，与常规交错双栅结构和常规曲折波导结构相比，在通频带(80GHz-128GHz)内，本发明提供的慢波结构耦合阻抗明显高于常规交错双栅慢波结构与常规曲折波导结构。这说明以本发明中的慢波结构，可以实现更高的增益和更大的功率。
如图9所示，与常规交错双栅结构相比，在通频带(80GHz-128GHz)内，本发明提供的慢波结构传输损耗明显低于常规交错双栅慢波结构；与常规曲折波导结构相比，在工作区带宽内(80GHz-110GHz)，本发明提供的慢波结构的传输损耗明显低于常规曲折波导慢波结构。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。
工作原理：本发明将与电子注正交处附近的曲折波导用矩形波导代替，将常规交错双栅结构与常规曲折波导结构融合设计，实现了工作频带更宽、耦合阻抗更高、电子效率更高以及损耗更低的性能提升。
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 (10)

1.基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，包括电子注通道(3)以及呈纵向交错排列的上排栅(1)和下排栅(2)，其特征是，所述上排栅(1)和下排栅(2)均包括矩形波导段(4)和曲折波导段(5)，矩形波导段(4)与相应的曲折波导段(5)相切设置；所述电子注通道(3)沿纵向贯穿上排栅(1)和下排栅(2)中的矩形波导段(4)；
所述新型慢波结构将与电子注正交处附近的曲折波导用矩形波导代替，将常规交错双栅结构与常规曲折波导结构融合设计。
2.根据权利要求1所述的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，其特征是，所述矩形波导段(4)呈矩形体。
3.根据权利要求1所述的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，其特征是，所述曲折波导段(5)沿电场面周期性折叠。
4.根据权利要求1所述的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，其特征是，所述电子注通道(3)正交贯穿上排栅(1)和下排栅(2)中的矩形波导段(4)。
5.根据权利要求1所述的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，其特征是，所述电子注通道(3)的中心与上排栅(1)中的矩形波导段(4)中心以及下排栅(2)中的矩形波导段(4)中心重合。
6.根据权利要求1所述的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，其特征是，所述上排栅(1)和下排栅(2)均由高导无氧铜材料制备而成。
7.根据权利要求1所述的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，其特征是，所述上排栅(1)和下排栅(2)的表面粗糙度为1μm。
8.根据权利要求1所述的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，其特征是，该新型慢波结构在工作区带宽范围为83GHz-123GHz的归一化相速度为0.251-0.256。
9.根据权利要求1所述的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，其特征是，该新型慢波结构处于提高耦合阻抗的通频带范围为80GHz-128GHz。
10.根据权利要求1所述的基于交错双栅和曲折波导的新型慢波结构，其特征是，该新型慢波结构处于降低传输损耗的通频带范围为80GHz-110GHz或80GHz-128GHz。
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