CN114899066A - 一种四带状注梯形线慢波结构及其应用 - Google Patents

一种四带状注梯形线慢波结构及其应用 Download PDF

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Abstract

一种四带状注梯形线慢波结构及其应用，包括长方体结构的壳体，壳体内同轴设置有长方体结构的安装柱，安装柱和所述壳体之间设置有四组金属板组，四组金属板组分别设置于安装柱的四个侧面上，金属板组包括沿安装柱长度方向等间距设置的若干金属板、以及贯穿若干金属板的电子注通道；相邻两组金属板组的电子注通道相互垂直，且相邻两组金属板组的电子注通道之间连接有耦合腔，慢波结构的至少一个耦合腔上设置有输出窗。本发明采用四条正交且通过耦合腔互连的电子注通道设计，能够显著地增加耦合腔中电磁波的耦合效率，进而在较小的尺寸限制下明显提高了输出功率，满足工作在太赫兹波段上的扩展互作用器件的需求，具有广泛的应用前景。

Description

一种四带状注梯形线慢波结构及其应用
技术领域
本发明涉及真空电子器件技术领域，具体涉及一种利用正交互连结构提高各耦合腔的功率的四带状注梯形线慢波结构。
背景技术
高工作频率、高效率、高功率、高可靠性、低电压、小型化的太赫兹真空电子器件已成为近年来的研究热点。其中，扩展互作用振荡器(EIO)由于具有紧凑型的特点，在太赫兹波段具有很大的发展潜力，是当前太赫兹源的研究热点之一。
梯形线慢波结构是常见的EIO慢波结构，具有结构简单、耦合阻抗高、能与带状注互作用的特点。为了提高梯形线慢波结构的性能，现有技术中对梯形线结构进行了大量的理论研究、仿真计算和实验。
但是，扩展互作用器件工作在太赫兹波段时，梯形线慢波结构的尺寸需要限定在百微米量级，不仅加工难度大，而且由于单腔的功率容量小，输出功率有限。因此，如何在不显著增加梯形线慢波结构的尺寸的前提下提高其输出功率，是非常具有挑战性的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四带状注梯形线慢波结构，其通过将对应于四条带状注的四根电子注通道中的相邻两根电子注通道设置为相互垂直，且两根相邻电子注通道之间设置有耦合腔，能够大幅地增加各耦合腔之间的耦合效率，达到大幅提高输出功率和效率的目的。
本发明通过下述技术方案实现：
一种四带状注梯形线慢波结构，包括长方体结构的壳体，所述壳体内同轴设置有长方体结构的安装柱，所述安装柱和所述壳体之间设置有四组金属板组，所述四组金属板组分别设置于安装柱的四个侧面上，金属板组包括沿安装柱长度方向等间距设置的若干金属板、以及贯穿所述若干金属板的电子注通道；相邻两组金属板组的电子注通道相互垂直，且相邻两组金属板组的电子注通道之间连接有耦合腔，所述慢波结构的至少一个耦合腔上设置有输出窗。
本技术方案中，长方体结构的壳体内设置有等长或者不等长的安装柱，安装柱同样为长方体结构。安装柱与壳体同轴设置，也即安装柱的母线与壳体的母线共线，两者的长度延伸方向一致，安装柱与壳体之间形成真空区域。在一个或多个实施例中，壳体的四个侧面与安装柱的四个侧面一一对应且大致平行，在一个或多个实施例中壳体的侧面与安装柱的侧面的夹角不超过3°；在部分优选的实施例中，壳体的四个侧面与安装柱的四个侧面中对应的侧面平行。在一个或多个实施例中，根据加工需求，安装柱可以是实心的也可以是空心的。
壳体和安装柱之间设置有四组金属板组，四组金属板组设置在安装柱不同的侧面上。金属板组包括若干金属板，金属板沿安装柱的长度方向，也即安装柱母线延伸的方向，沿安装柱的一个端面向安装柱的另一个端面的方向等间距分布，相邻的两个金属板之间的缝隙作为耦合槽，在带状注经过缝隙时激发出电磁信号。金属板上均设置有等宽的矩形开口，同一组金属板上的矩形开口连通，共同构成所在侧面上用于带状注通过的电子注通道，同时，电子注通道的两端分别贯穿壳体的两个端面。
在本技术方案中，安装柱的相邻两个侧面上的电子注通道相互垂直，同时相邻两个侧面上的电子注通道之间连接有耦合腔，耦合腔上可以设置也可以不设置输出窗，但慢波结构的四个耦合腔中至少有一个耦合腔连通有输出窗。
通过上述结构设置，在工作状态时，四个具有相同速度的带状注能够分别在四个呈正交排列的电子注通道内传输，在带状注传输经过金属板组的各耦合槽时激发出电磁信号，通过慢波电路的选频特性，带状注与产生的电磁信号中具有特定频率的电磁波发生互作用，电子注发生速度调制、密度调制，进而产生群聚，最终带状注将能量交换给高频场，从输出窗辐射出特定频率的电磁波。
本技术方案采用四条正交且通过耦合腔互连的电子注通道设计，能够显著地增加耦合腔中电磁波的耦合效率，进而在较小的尺寸限制下明显提高了输出功率，满足工作在太赫兹波段上的扩展互作用器件的需求，具有广泛的应用前景。
作为本发明的一种优选实施方式，所述安装柱的外壁上设置有第一垫板，和/或所述壳体的内壁上设置有第二垫板，所述金属板连接至所述第一垫板和/或第二垫板。本技术方案中，安装柱的外壁上可以设置第一垫板，或者壳体的内壁上可以设置第二垫板。优选地，安装柱的外壁上设置有第一垫板，且壳体的内壁上设置有第二垫板，金属板连接在第一垫板和第二垫板之间。通过设置第一垫板和第二垫板，能够降低相邻的两块金属板之间的耦合槽的高度，以使得耦合槽的高度小于与其连接的耦合腔的高度，耦合槽向耦合腔过渡时的高度增加有利于场匹配，从而进一步提高部分模式下，例如TM31-2π模的输出功率。
进一步地，所述壳体的横截面为正方形，且所述安装柱的横截面为正方形。壳体和安装柱均为横截面为正方形的长方体结构。进一步地，四根电子注通道的尺寸相同，四个耦合腔的尺寸相同，且四个耦合腔的横截面为正方形。优选地，四根电子注通道的中轴线与所述耦合腔横截面的中线共线。本技术方案中，尺寸相同的电子注通道以及耦合腔形成规则的正交互连结构，有利于进一步提高耦合腔中的电磁波耦合效率，进而提高输出窗的输出功率。
作为本发明的另一种优选实施方式，所述输出窗包括与所述耦合腔连通的耦合孔，所述耦合孔上设置有渐变波导，所述渐变波导上连接有矩形波导，所述耦合孔的横截面积小于所述矩形波导的横截面积。本技术方案中，输出窗均包括耦合孔、渐变波导和标准矩形波导，且耦合孔与耦合腔连通。输出窗的数量可以是一个也可以是多个。在一个或多个实施例中，输出窗的数量为多个，且多个输出窗连接至同一耦合腔上。
进一步地，包括至少两个输出窗，且所述至少两个输出窗分别连接至不同的耦合腔。本技术方案中，通过将至少两个输出窗连通至不同的耦合腔，能够使得输出窗辐射出两路相位一致的电磁波。
进一步地，所述至少两个输出窗中，连接不同耦合腔的输出窗的耦合孔的尺寸不同。通过调整不同输出窗的耦合孔尺寸，能够使不同输出窗输出的电磁波的功率不同，进而使得同一慢波结构输出相位一致、功率不同的电磁波。
进一步地，所述至少两个输出窗中，连接不同耦合腔的输出窗的渐变波导、矩形波导的总长度不同。本技术方案中，通过调整输出窗的波导整体长度，能够改变两路电磁波的相位差，实现同一慢波结构输出同向的两路存在相位差的电磁波。
本发明基于前述任一种四带状注梯形线慢波结构，还提供这类四带状注梯形线慢波结构用于工作在太赫兹波段的扩展互作用振荡器中的应用。这类四带状注梯形线慢波结构能够适应于多种模式，尤其是TM31-2π模。
进一步地，所述应用包括以下步骤：四个具有相同速度的带状注分别在四组金属板组的电子注通道内传输，在带状注经过所述若干金属板之间的耦合槽时激发产生电磁波，所述带状注与所述电磁波发生注波互作用，并在所述耦合腔中增强电磁波，增强后的电磁波经所述输出窗辐射出。在部分优选实施例中，通过冷腔仿真计算，上述结构、方式的输出功率与传统单带状注梯形线慢波结构的输出功率相比提高了5倍以上。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明采用四条正交且通过耦合腔互连的电子注通道设计，能够显著地增加耦合腔中电磁波的耦合效率，进而在较小的尺寸限制下明显提高了输出功率，满足工作在太赫兹波段上的扩展互作用器件的需求，具有广泛的应用前景；
2、本发明通过设置第一垫板和第二垫板，能够降低相邻的两块金属板之间的耦合槽的高度，以使得耦合槽的高度小于与其连接的耦合腔的高度，耦合槽向耦合腔过渡时的高度增加有利于场匹配，从而进一步提高部分模式下的输出功率；
3、本发明通过将在不同的耦合腔上设置输出窗，并使得输出窗的波导整体长度、耦合孔尺寸不同，进而使同一慢波结构能够输出同向的两路存在相位差的和/或功率不同的电磁波；
4、本发明的四带状注梯形线慢波结构在用于工作在太赫兹波段的扩展互作用振荡器时，相较于传统单带状注梯形线慢波结构，输出功率能够提高5倍以上。
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为本发明具体实施例的结构示意图；
图2为本发明具体实施例的局部剖视示意图；
图3为本发明具体实施例中慢波结构的第一截面的剖视示意图；
图4为本发明具体实施例中慢波结构的第二截面的剖视示意图；
图5为本发明具体实施例中工作在TM31-2π模的0.22THz四带状注梯形线慢波结构扩展互作用振荡器的色散图；
图6为本发明具体实施例中工作在TM31-2π模的0.22THz四带状注梯形线慢波结构扩展互作用振荡器的XY平面(a)、YZ平面(b)的EZ场分布图；
图7为本发明具体实施例中工作在TM31-2π模的0.22THz四带状注梯形线慢波结构扩展互作用振荡器的电子注群聚以及相空间图；
图8为本发明具体实施例中工作在TM31-2π模的0.22THz四带状注梯形线慢波结构与采用传统单带状注梯形线慢波结构的输出功率对比图；
图9为本发明具体实施例中工作在TM31-2π模的0.22THz四带状注梯形线慢波结构扩展互作用振荡器的输出波频谱图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-壳体，2-安装柱，3-金属板，4-电子注通道，5-耦合腔，6-第一垫板，7-第二垫板，8- 第一输出窗，9-第二输出窗，10-耦合槽，11-带状注，21-耦合孔，22-渐变波导，23-矩形波导。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“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保护范围的限制。
实施例1：
如图1至图4所示的一种四带状注梯形线慢波结构，包括长方体结构的壳体1，所述壳体1内同轴设置有长方体结构的安装柱2，所述安装柱2和所述壳体1之间设置有四组金属板组，所述四组金属板组分别设置于安装柱2的四个侧面上，金属板组包括沿安装柱2长度方向等间距设置的若干金属板3、以及贯穿所述若干金属板3的电子注通道4；相邻两组金属板组的电子注通道4相互垂直，且相邻两组金属板组的电子注通道4之间连接有耦合腔5，所述慢波结构的至少一个耦合腔5上设置有输出窗。
在工作状态时，四个具有相同速度的带状注能够分别在四个呈正交排列的电子注通道内传输，在带状注传输经过金属板组的各耦合槽时激发出电磁信号，通过慢波电路的选频特性，带状注与产生的电磁信号中具有特定频率的电磁波发生互作用，电子注发生速度调制、密度调制，进而产生群聚，最终带状注将能量交换给高频场，从输出窗辐射出特定频率的电磁波。
在部分实施例中，所述壳体的横截面为正方形，且所述安装柱的横截面为正方形。
在部分实施例中，四根电子注通道4的尺寸相同，四个耦合腔5的尺寸相同，且四个耦合腔5的横截面为正方形。在一个或多个实施例中，四根电子注通道的中轴线与所述耦合腔横截面的中线共线。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图2和图3所示，所述安装柱2的外壁上设置有第一垫板6，和/或所述壳体1的内壁上设置有第二垫板7，所述金属板3连接至所述第一垫板6和/或第二垫板7。
通过设置第一垫板和第二垫板，能够降低相邻的两块金属板之间的耦合槽的高度，以使得耦合槽的高度小于与其连接的耦合腔的高度，耦合槽向耦合腔过渡时的高度增加有利于场匹配，从而进一步提高部分模式下的输出功率。
在部分优选的实施例中，第一垫板沿安装柱的一端向另一端延伸，第二垫板沿壳体的一端向另一端延伸。在一个或多个实施例中，第一垫板和第二垫板的厚度、长度、宽度相等。在一个或多个实施例中，第一垫板完全覆盖安装柱的一个侧面，与其对应的第二垫板在该侧面上的投影与第一垫板的投影重合。在一个实施例中，壳体的四个侧壁上的第二垫板、以及安装柱四个侧面上的第一垫板一一对应，且尺寸相同。
实施例3：
在上述实施例的基础上，如图1所示，所述输出窗包括与所述耦合腔5连通的耦合孔21，所述耦合孔21上设置有渐变波导22，所述渐变波导22上连接有矩形波导23，所述耦合孔 21的横截面积小于所述矩形波导23的横截面积。
在部分实施例中，包括至少两个输出窗，且所述至少两个输出窗分别连接至不同的耦合腔。在一个或多个实施例中，所述至少两个输出窗中，连接不同耦合腔5的输出窗的耦合孔21的尺寸不同。在一个或多个实施例中，所述至少两个输出窗中，连接不同耦合腔5的输出窗的渐变波导22、矩形波导23的总长度不同。
如图3所示，不同的耦合腔5上分别连接有第一输出窗8和第二输出窗9，其中，第一输出窗8的耦合孔的尺寸大于第二输出窗9的耦合孔的尺寸，以使得该慢波结构输出的两路电磁波的功率不同，同时，第一输出窗8和第二输出窗9的波导整体长度不同，以使得两路电磁波存在相位差。
实施例4：
上述任一实施例的四带状注梯形线慢波结构在工作在太赫兹波段的扩展互作用振荡器中的应用，具体地，该应用包括以下步骤：四个具有相同速度的带状注11分别在四组金属板组的电子注通道4内传输，在带状注11经过所述若干金属板3之间的耦合槽10时激发产生电磁波，所述带状注11与所述电磁波发生注波互作用，并在所述耦合腔5中增强电磁波，增强后的电磁波经所述输出窗辐射出。
实施例5：
通过冷腔仿真计算工作在TM31-2π模的0.22THz四带状注梯形线慢波结构扩展互作用振荡器，其中，四带状注梯形线慢波结构的尺寸为：
Figure BDA0003652964650000061
仿真计算结果如图5至图9所示，图5为TM31模色散图，该结构所采用的TM31-2π模频率为220GHz。图6(a)和(b)为TM31-2π模EZ场分布图，由图可知，电子注通道中的电场较强，有利于注波互作用，而两端的电场有利于各耦合腔之间耦合、以及波的输出，同时，耦合槽内电场强度大且稳定，即表明该结构具有较强的注波互作用能力。
经过粒子模拟计算，电子注群聚以及相空间图如图7所示，其调制深度为29％，有较好的注波互作用。
如图8所示，四带状注梯形线慢波结构的输出功率为1675.32W，相较于单带状注梯形线慢波结构的输出功率320.58W而言，提高了5.23倍，证明了本实施例采用的四条正交且通过耦合腔互连的电子注通道设计，能够显著地增加耦合腔中电磁波的耦合效率，进而在较小的尺寸限制下明显提高了输出功率，可以更好地满足工作在太赫兹波段上的扩展互作用器件的需求。
四带状注梯形线慢波结构的输出波频谱如图9所示，其频率为0.22THz，与冷腔分析一致。
本文中所使用的“第一”、“第二”等(例如第一垫板、第二垫板，第一输出窗、第二输出窗等)只是为了描述清楚起见而对相应部件进行区别，不旨在限制任何次序或者强调重要性等。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。
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)

1.一种四带状注梯形线慢波结构，包括长方体结构的壳体(1)，其特征在于，所述壳体(1)内同轴设置有长方体结构的安装柱(2)，所述安装柱(2)和所述壳体(1)之间设置有四组金属板组，所述四组金属板组分别设置于安装柱(2)的四个侧面上，金属板组包括沿安装柱(2)长度方向等间距设置的若干金属板(3)、以及贯穿所述若干金属板(3)的电子注通道(4)；相邻两组金属板组的电子注通道(4)相互垂直，且相邻两组金属板组的电子注通道(4)之间连接有耦合腔(5)，所述慢波结构的至少一个耦合腔(5)上设置有输出窗。
2.根据权利要求1所述的一种四带状注梯形线慢波结构，其特征在于，所述安装柱(2)的外壁上设置有第一垫板(6)，和/或所述壳体(1)的内壁上设置有第二垫板(7)，所述金属板(3)连接至所述第一垫板(6)和/或第二垫板(7)。
3.根据权利要求1所述的一种四带状注梯形线慢波结构，其特征在于，所述壳体(1)的横截面为正方形，且所述安装柱(2)的横截面为正方形。
4.根据权利要求3所述的一种四带状注梯形线慢波结构，其特征在于，四根电子注通道(4)的尺寸相同，四个耦合腔(5)的尺寸相同，且四个耦合腔(5)的横截面为正方形。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的一种四带状注梯形线慢波结构，其特征在于，所述输出窗包括与所述耦合腔(5)连通的耦合孔(21)，所述耦合孔(21)上设置有渐变波导(22)，所述渐变波导(22)上连接有矩形波导(23)，所述耦合孔(21)的横截面积小于所述矩形波导(23)的横截面积。
6.根据权利要求5所述的一种四带状注梯形线慢波结构，其特征在于，包括至少两个输出窗，且所述至少两个输出窗分别连接至不同的耦合腔(5)。
7.根据权利要求6所述的一种四带状注梯形线慢波结构，其特征在于，所述至少两个输出窗中，连接不同耦合腔(5)的输出窗的耦合孔(21)的尺寸不同。
8.根据权利要求6所述的一种四带状注梯形线慢波结构，其特征在于，所述至少两个输出窗中，连接不同耦合腔(5)的输出窗的渐变波导(22)、矩形波导(23)的总长度不同。
9.一种四带状注梯形线慢波结构的应用，其特征在于，所述慢波结构采用权利要求1～8中任一项所述的一种四带状注梯形线慢波结构，所述慢波结构用于工作在太赫兹波段的扩展互作用振荡器。
10.根据权利要求9所述的一种四带状注梯形线慢波结构的应用，其特征在于，所述应用包括以下步骤：四个具有相同速度的带状注(11)分别在四组金属板组的电子注通道(4)内传输，在带状注(11)经过所述若干金属板(3)之间的耦合槽(10)时激发产生电磁波，所述带状注(11)与所述电磁波发生注波互作用，并在所述耦合腔(5)中增强电磁波，增强后的电磁波经所述输出窗辐射出。
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