CN115083864B - 一种带状注交错槽耦合腔慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带状注交错槽耦合腔慢波结构，所述慢波结构包括形成多个周期性结构的直波导段和波导连接段，以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；所述波导连接段为矩形波导连接段；所述直波导段宽度不等于波导连接段宽度。该慢波结构能够在保证工程实现可行性的前提下，增加电子注通道宽度与高度以增大功率容量、降低聚束难度，同时可以维持耦合阻抗在较高水平。

Description

一种带状注交错槽耦合腔慢波结构

技术领域

本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种带状注交错槽耦合腔慢波结构。

背景技术

行波管作为微波、太赫兹波源，在通信、电子对抗、雷达预警等领域都有广泛的应用。随着行波管的应用场景不断向高频率、高功率领域发展，人们对行波管慢波结构的性能不断提出新的更高的希望和要求。为了解决因电磁波尺寸共渡效应带来的高频率和高功率之间的矛盾，研究人员越来越多的将目光投向了带状电子注行波管器件。如何设计契合带状电子注，可以充分发挥带状电子注优势的行波管慢波结构成为了目前太赫兹真空电子器件领域的研究热点之一。

折叠波导结构利用弯曲折叠的波导引导电磁波传播，通过增加电磁波传播路程的方式减慢电磁波的相速度，使其可以与电子注发生互作用。折叠波导慢波电路因其全金属结构而具有功率容量相对较大、散热性能较好的优点，同时又相交盘荷结构具有更加平坦的色散线因而可以得到更宽，且结构复杂度低易于加工，而得到了广泛的关注。传统折叠波导电路的基本结构如图1所示。

然而，为了满足行波管在高频段上对于高功率的要求，带状电子注的应用变得十分亟需。传统结构的折叠波导电路的电子注通道形状不便于直接采用带状电子注，而如果通过单纯增大电子注通道尺寸来解决这一困境，又会使得电磁波不能在电子注通道之中保持截止，从而使电磁波可以在两个周期之间通过电子注通道耦合，进而破坏折叠波导电路的慢波特性。由于存在上述困难，传统结构的折叠波导电路难以适应高频率高功率下的新挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种带状注交错槽耦合腔慢波结构，该慢波结构能够在保证工程实现可行性的前提下，增加电子注通道宽度与高度以增大功率容量、降低聚束难度，同时可以维持耦合阻抗在较高水平。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种带状注交错槽耦合腔慢波结构，包括：

所述慢波结构包括形成多个周期性结构的直波导段和波导连接段，以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；

所述波导连接段为矩形波导连接段；

所述直波导段宽度不等于波导连接段宽度。

此外，优选地方案是，所述直波导段宽度大于波导连接段宽度。

此外，优选地方案是，所述电子注通道截面为矩形。

此外，优选地方案是，所述电子注通道宽度小于直波导段宽度，所述电子注通道高度小于直波导段高度。

此外，优选地方案是，所述直波导段厚度不等于波导连接段高度。

此外，优选地方案是，所述慢波结构的工作模式为高次模式。

此外，优选地方案是，波导连接段宽度与直波导段宽度的比值范围为0.57～0.58。

此外，优选地方案是，所述电子注通道宽度与直波导段宽度的比值范围为0.8～0.85。

此外，优选地方案是，所述电子注通道高度与直波导段高度的比值范围为0.5～0.52。

本发明的有益效果为：

本发明将直波导段与波导连接段分离设计使得慢波结构的尺寸参数可以被调节，相较于传统的尺寸恒定的折叠波导结构，本发明能够通过改变直波导段宽度w，使得电子注通道的宽度可以突破传统折叠波导结构因维持电磁场高频率而带来的尺寸限制。而电子注通道的加宽可以有助于降低电流密度并提升总电流大小，增大功率容量、降低聚束难度，同时可以维持耦合阻抗在较高水平，提高结构设计的灵活性。此外，增大电子注通道横向和纵向的尺寸可以为电子注横向的摆动留出更多空间，进而缓解磁场的聚焦压力，改善电子注流通率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是传统折叠波导慢波电路基本结构示意图。

图2A是本发明的慢波结构的结构示意图。

图2B是本发明的慢波结构的主视图。

图2C是本发明的慢波结构的侧视图。

图2D是本发明的慢波结构的俯视图。

图3A是传统折叠波导慢波电路的截面图。

图3B是交错双栅结构的截面图。

图3C是本发明的慢波结构的截面图。

图4是本发明与传统折叠波导慢波电路耦合阻抗对比图。

图5是本发明的耦合阻抗示意图。

图6A是本发明的真空腔体结构图。

图6B是本发明的金属模型坡面图。

图7是本发明的波导连接段宽度a与直波导段宽度w之间的比例关系对性能的影响示意图。

图8是本发明的电子注通道宽度xt与直波导段宽度w之间的比例关系对性能的影响示意图。

图9是本发明的电子注通道高度yt与直波导段高度h之间的比例关系对性能的影响示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了在保证工程实现可行性的前提下，增加电子注通道宽度与高度以增大功率容量、降低聚束难度，同时可以维持耦合阻抗在较高水平。本发明提供一种带状注交错槽耦合腔慢波结构，结合图1至图9所示，具体地所述慢波结构包括形成多个周期性结构的直波导段100和波导连接段200，波导连接段200起到匹配相邻两个直波导段100内场的作用；以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道300；所述电子注行进方向为第三方向；在同一平面内，第一方向与第二方向相垂直；第三方向与第一方向和第二方向均垂直；所述慢波结构宽度沿第一方向延伸，所述慢波结构高度沿第二方向延伸，所述慢波结构厚度沿第三方向延伸；所述直波导段100宽度w不等于波导连接段200宽度a；可以理解的是，直波导段100和波导连接段200构成了传播电磁波的波导结构，它是整个结构中电磁波功率流传播的通路之一。

在上述实施例中，参照图2A、图2B、图2C和图2D所示，可知第一方向为x方向，第二方向为y方向，第三方向为z方向，所述波导连接段200宽度沿x方向为a，所述波导连接段200高度沿y方向为hc；所述直波导段100宽度沿x方向为w，所述直波导段100厚度沿z方向为b，所述直波导段100高度沿y方向为h；所述慢波结构的周期长度为p。所述电子注通道300截面为矩形，带状电子注在截面为矩形的电子注通道300中运动；所述电子注通道300宽度沿x方向为xt，所述电子注通道300高度沿y方向为yt，且xt<w，yt<h；所述电子注通道300大小为xt×yt，所述电子注通道尺寸大小根据所需电子注尺寸进行调节。

由于本发明将直波导段100和波导连接段200在结构上分离，使得直波导段100和波导连接段200的尺寸参数可以被随意调节。因此，可以增宽直波导段100宽度w以便增宽电子注通道300宽度xt，使得电子注通道300的尺寸大小不再受限于电磁场频率。电子注通道300得到进一步拓宽，功率容量进一步加大。而对于电磁波频率的维持和色散特性调整，可以通过调整波导连接段100的尺寸参数以及调节周期长度来实现。

由于可以改变直波导段宽度w，这使得带状电子注通道宽度xt可以突破传统折叠波导结构因维持电磁场高频率而带来的尺寸限制。而电子注通道的加宽可以有助于降低电流密度并提升总电流大小。如图3A所示，中间圆形部分为电子注通道，传统折叠波导慢波电路为了防止相邻间隙间的电磁场通过电子注通道耦合，电子注通道通常设计成半径很小的圆柱体，这样的结构也不适应与带状电子注；结合图3B与图3C所示，交错双栅结构作为带状电子注行波管常用的慢波电路之一，其带状电子注通道(图3B中中间矩形部分)的大小受到结构工作频率的影响无法拓展，其通道截面积远小于图3C所示的本发明中的电子注通道300的截面积。

表1同工作频带下三种慢波结构电子注通道横截面积的比较

由表1可知，对于传统的折叠波导电路，其圆柱形电子注通道的半径为0.075mm，电子注通道的横截面积仅为0.018mm²；对于交错双栅电路，其电子注通道截面为矩形，宽度为0.8mm，高度为0.15mm，电子注通道的横截面积为0.12mm²；而对于本发明提出的慢波结构，其电子注通道截面为矩形，宽度为1.3mm，长度为0.3mm，电子注通道的横截面积为0.39mm²。

在一具体实施例中，在直波导段宽度w不等于波导连接段宽度a的同时，所述直波导段厚度b不等于波导连接段高度hc，通过上述设置，调整参数w、a、b、hc，上述参数共同作用能够进一步保证电子注通道的宽度可以突破传统折叠波导结构因维持电磁场高频率而带来的尺寸限制，有助于降低电流密度并提升总电流大小，增大功率容量、降低聚束难度，同时可以维持耦合阻抗在较高水平，提高结构设计的灵活性；可以理解的是，当直波导段宽度w等于波导连接段宽度a且直波导段厚度b等于波导连接段高度hc时，本结构退化为传统的带状注折叠波导慢波电路。

本发明的慢波结构利用高次模式工作，相较工作在基模的传统折叠波导器件，利用高次模式可以进一步增大慢波结构的尺寸，便于实现大电子注通道。如图4所示，模式1和模式3均为通道模式，耦合阻抗低，不宜选取作为工作模式，而模式2为耦合槽模式，其频带极窄且电场集中在耦合器中，不利于互作用，因而选取带宽适中且耦合阻抗较大的模式4为工作模式，根据具体设计参数对应带宽和耦合阻抗。不同于其他利用高次模式工作的结构，本发明在保持大电子注通道、高次模式工作的情况下，仍能保持较高的耦合阻抗水平。如图5所示，本发明的耦合阻抗普遍在1Ω以上，在一些频点处可达到10Ω。

如图7、图8和图9所示，从220GHz频率下耦合阻抗和带宽两个参数指标的角度对a与w、xt与w以及yt与h三组尺寸参数之间的关系进行了对比。以本发明给出的一组尺寸参数为标准，将其它尺寸参数下的耦合阻抗和标准参数下的耦合阻抗的比值称为归一化耦合阻抗，将其它尺寸参数下的带宽和标准参数下的带宽的比值称为归一化带宽。图7给出了参数a与w之间的比例关系对归一化耦合阻抗和归一化带宽的影响，结合图7可知，综合耦合阻抗和带宽两项指标，应将a/w的比值确定在0.57～0.58之间。图8给出了参数xt与w之间的比例关系对归一化耦合阻抗和归一化带宽的影响，结合图8可知，综合耦合阻抗和带宽两项指标，应将xt/w的比值确定在0.8～0.85之间。图9给出了参数yt与h之间的比例关系对归一化耦合阻抗和归一化带宽的影响。结合图9可知，综合耦合阻抗和带宽两项指标，应将yt/h的比值确定在0.5～0.52之间。为了保持较高的耦合阻抗同时保留适当的带宽，并考虑工作模式的交叠情况，我们可以选择一组对于220GHz为核心频率的情况下最恰当的尺寸参数，既用作标准参数。

在一具体实施例中，该慢波结构的结构参数为：xt＝1.3mm，yt＝0.3mm，w＝1.56mm，h＝0.59mm，b＝0.15mm，a＝0.9mm，hc＝0.12mm，p＝0.63mm。其慢波电路的真空腔体结构如图6A所示，其对应的实际加工的金属模型坡面图如图6B所示。该结构实际加工可以沿yoz平面分为左右两个部分，每部分包含一半的电子注通道、一半的直波导段及一半的波导连接段。

综上所述，本发明将直波导段与波导连接段分离设计使得慢波结构的尺寸参数可以被调节，相较于传统的尺寸恒定的折叠波导结构，本发明能够通过改变直波导段宽度w，使得电子注通道的宽度可以突破传统折叠波导结构因维持电磁场高频率而带来的尺寸限制。而电子注通道的加宽可以有助于降低电流密度并提升总电流大小，增大功率容量、降低聚束难度，同时可以维持耦合阻抗在较高水平，提高结构设计的灵活性。此外，增大电子注通道横向和纵向的尺寸可以为电子注横向的摆动留出更多空间，进而缓解磁场的聚焦压力，改善电子注流通率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种带状注交错槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述慢波结构包括形成多个周期性结构的直波导段和波导连接段，以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；

所述波导连接段为矩形波导连接段；

所述直波导段宽度(w)不等于波导连接段宽度(a)；

波导连接段宽度(a)与直波导段宽度(w)的比值范围为0.57～0.58。

2.根据权利要求1所述的带状注交错槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述直波导段宽度(w)大于波导连接段宽度(a)。

3.根据权利要求1所述的带状注交错槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述电子注通道截面为矩形。

4.根据权利要求3所述的带状注交错槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述电子注通道宽度(xt)小于直波导段宽度(w)，所述电子注通道高度(yt)小于直波导段高度(h)。

5.根据权利要求1所述的带状注交错槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述直波导段厚度(b)不等于波导连接段高度(hc)。

6.根据权利要求1所述的带状注交错槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述慢波结构的工作模式为高次模式。

7.根据权利要求4所述的带状注交错槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述电子注通道宽度(xt)与直波导段宽度(w)的比值范围为0.8～0.85。

8.根据权利要求4所述的带状注交错槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述电子注通道高度(yt)与直波导段高度(h)的比值范围为0.5～0.52。

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