CN115332029A - 一种倾斜类正弦波导慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倾斜类正弦波导慢波结构，设置有顺序的第一波导、电子注通道以及第二波导，且第一波导和第二波导均为倾斜类正弦的带状起伏结构，射频信号馈入倾斜类正弦波导慢波结构中后，射频信号和电子注在倾斜类正弦波导中进行注波互作用，经过一段时间的注波互作用，电子注交给电磁波的能量逐渐大于电磁波从电子注中吸收的能量，射频信号得到了放大，放大后的射频信号由射频输出端口馈出，与传统平顶正弦波导慢波结构相比，具有更高的耦合阻抗值电磁场在电子注通道中心区域更为集中，慢波结构中心区域的注波互作用更加强烈，使电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。

Description

一种倾斜类正弦波导慢波结构

技术领域

本发明涉及真空电子器件技术领域，具体涉及一种倾斜类正弦波导慢波结构。

背景技术

太赫兹波(0.1-3THz)由于具有波长短、频率高、光子能量低、信噪比高、带宽宽等特性，在科学研究、通信装备及国民经济等众多领域有着重要的研究价值和广泛的应用前景。随着雷达、卫星通讯、高精度成像、生物医疗等领域对毫米波太赫兹功率源的需求越来越大，以及固态功率器件源近年不断发展带来的冲击，真空电子器件中线性注器件不断朝着高频率、大功率和小型化的方向发展。行波管和返波管是在线性注器件中应用比较广泛的一类毫米波太赫兹辐射源，其中行波管是在军事装备、卫星通讯等方面应用最广泛的器件，具有工作带宽、电子效率高、输出功率相对较大等优点。

慢波结构作为行波管的核心部件，直接决定了行波管的器件性能。目前，在太赫兹波段行波管中主要研究的慢波结构主要有折叠波导、矩形交错双栅和平顶正弦波导等结构。由于在太赫兹波段的工作波长很短，因为尺寸共渡的原因，导致慢波结构的结构尺寸较小，因此加工难度大，平顶正弦波导以其损耗低易加工的优势受到广泛关注。基于平顶正弦波导的高频系统通过连接一段与之匹配的一种均匀渐变的信号输入、输出耦合器，可以使其具有非常小的反射和很低的高频损耗。然而，这种平顶正弦波导在电磁波传输方向上的电场强度相对较弱，因而其耦合阻抗较小，从而导致正弦波导行波管的输出功率、互作用效率较小、增益较低和饱和互作用长度较长等缺陷。

发明内容

本申请的目的在于提供一种倾斜类正弦波导慢波结构，解决了现有技术中平顶正弦波导耦合阻抗小的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种倾斜类正弦波导慢波结构，包括壳体，所述壳体内设置有顺序的第一波导、电子注通道以及第二波导，且所述第一波导和第二波导均为倾斜类正弦的带状起伏结构；所述第一波导和第二波导的周期相同，且所述第一波导与第二波导之间的周期交错设置；

所述第一波导设置为正半波带状起伏结构，且每个正半波均设置有倾斜角度；所述第二波导设置为负半波带状起伏结构，且每个负半波均设置有倾斜角度。

在一种可能的实施方式中，所述第一波导与第二波导交错半个周期。

在一种可能的实施方式中，所述第一波导包括若干正半波空腔，两两相邻所述正半波空腔之间通过第一栅体隔开，所述第一栅体靠近电子注通道的位置设置为第一平面，且所述第一栅体上靠近所述第一平面的两个角的角度均为θ，θ的取值范围为0度到90度。

在一种可能的实施方式中，所述第二波导包括若干负半波空腔，两两相邻所述负半波空腔之间通过第二栅体隔开，所述第二栅体靠近电子注通道的位置设置为第二平面，且所述第二栅体上靠近所述第二平面的两个角的角度均为θ，θ的取值范围为0度到90度。

在一种可能的实施方式中，所述正半波空腔的波峰处设置为半径为R的圆弧面。

在一种可能的实施方式中，所述负半波空腔的波谷处设置为半径为R的圆弧面。

在一种可能的实施方式中，所述θ的取值为71度。

在一种可能的实施方式中，所述第一平面的宽度为W，一个所述正半波空腔与一个所述第一栅体为一个周期，该周期长度为P，且W<P/2。

在一种可能的实施方式中，所述第二平面的宽度为W，一个所述负半波空腔与一个所述第二栅体为一个周期，该周期长度为P，且W<P/2。

在一种可能的实施方式中，所述第一波导、电子注通道以及第二波导均连通至外部空间。

本申请提供的一种倾斜类正弦波导慢波结构，设置有顺序的第一波导、电子注通道以及第二波导，且第一波导和第二波导均为倾斜类正弦的带状起伏结构，射频信号馈入倾斜类正弦波导慢波结构中后，射频信号和电子注在倾斜类正弦波导中进行注波互作用，经过一段时间的注波互作用，电子注交给电磁波的能量逐渐大于电磁波从电子注中吸收的能量，射频信号得到了放大，放大后的射频信号由射频输出端口馈出，与传统平顶正弦波导慢波结构相比，具有更高的耦合阻抗值电磁场在电子注通道中心区域更为集中，慢波结构中心区域的注波互作用更加强烈，使电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种倾斜类正弦波导慢波结构的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种倾斜类正弦波导慢波结构的正视图；

图3为本申请实施例提供的基于倾斜类正弦波导慢波结构的行波管的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的平顶正弦波导慢波结构与倾斜类正弦波导慢波结构的色散特性比较图；

图5为本申请实施例提供的平顶正弦波导慢波结构与倾斜类正弦波导慢波结构的耦合阻抗比较图；

图6为本申请实施例提供的平顶正弦波导慢波结构与倾斜类正弦波导慢波结构的传输参数比较图；

图7为本申请实施例提供的平顶正弦波导慢波结构与倾斜类正弦波导慢波结构的输出功率随输入功率变化比较图；

图8为本申请实施例提供的平顶正弦波导慢波结构与倾斜类正弦波导慢波结构的输出功率随频率变化比较图；

图9为本申请实施例提供的平顶正弦波导慢波结构与倾斜类正弦波导慢波结构的增益随频率变化比较图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-壳体、2-电子注通道、3-正半波空腔、4-第一栅体、5-负半波空腔、6-第二栅体、7-第一布拉格结构、8-输入耦合结构、9-输出耦合结构、10-第二布拉格结构。

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。

实施例

如图1和图2共同所示，本申请实施例提供一种倾斜类正弦波导慢波结构，包括壳体1，壳体1内设置有顺序的第一波导、电子注通道2以及第二波导，且第一波导和第二波导均为倾斜类正弦的带状起伏结构；第一波导和第二波导的周期相同，且第一波导与第二波导之间的周期交错设置。第一波导设置为正半波带状起伏结构，且每个正半波均设置有倾斜角度；第二波导设置为负半波带状起伏结构，且每个负半波均设置有倾斜角度。

在一种可能的实施方式中，第一波导与第二波导交错半个周期。

在一种可能的实施方式中，第一波导包括若干正半波空腔3，两两相邻正半波空腔3之间通过第一栅体4隔开，第一栅体4靠近电子注通道2的位置设置为第一平面，且第一栅体4靠近第一平面的两个角的角度均为θ，θ的取值范围为0度到90度。

正半波空腔3的具体形状如图2所示，第一波导由多个带状起伏构成的正半波空腔3构成，从截面看，在壳体1上设置多个均匀且顺序排列的正半波空腔3后，两两相邻正半波空腔3之间的凸起就构成了第一栅体4，由于电子注通道2是矩形通道，因此将第一栅体4靠近电子注通道2的位置设置为与矩形通道一面重合的第一平面，该第一平面沿传输方向的宽为W。

壳体1设置电子注通道2后，可以将壳体1看作三个呈U型排列的矩形体，在上矩形体中设置多个均匀且顺序排列正半波空腔3，就会在两两相邻正半波空腔3之间形成第一栅体4，因此第一栅体4是存在两个角的(即左右两个相邻正半波空腔3与第一平面之间的夹角)，将该夹角设置为0度到90度之间，以形成倾斜类正弦的带状起伏结构。

在一种可能的实施方式中，第二波导包括若干负半波空腔5，两两相邻负半波空腔5之间通过第二栅体6隔开，第二栅体6靠近电子注通道2的位置设置为第二平面，且第二栅体6靠近第二平面的两个角的角度均为θ，θ的取值范围为0度到90度。

负半波空腔5的具体形状如图2所示，负半波空腔5的设置与正半波空腔3的设置类似，不过半波空腔5是向下设置。

在一种可能的实施方式中，正半波空腔3的波峰处设置为半径为R的圆弧面。

在一种可能的实施方式中，负半波空腔5的波谷处设置为半径为R的圆弧面。

在一种可能的实施方式中，θ的取值为71度。

在一种可能的实施方式中，第一平面的宽度为W，一个正半波空腔3与一个第一栅体4为一个周期，该周期长度为P，且W<P/2。

在一种可能的实施方式中，第二平面的宽度为W，一个负半波空腔5与一个第二栅体6为一个周期，该周期长度为P，且W<P/2。

在一种可能的实施方式中，第一波导、电子注通道2以及第二波导均连通至外部空间。即第一波导和第二波导仅靠外壳1的一面连接，电子注通道2三面均连接至外部空间。

该倾斜类正弦波导慢波结构的宽边长度为a(即第一波导和第二波导的带状宽度为a，也是第一波导、电子注通道2以及第二波导组成的慢波结构输入口的宽度)，窄边长度为b(即第一波导、电子注通道2以及第二波导组成的慢波结构输入口的高度)，传输方向上下为以宽边为中心进行起伏的正弦线周期性带状起伏，与传统平顶正弦波导不同，上顶正弦线向右倾斜角度为θ，下顶正弦线向左倾斜角度为θ，正弦线周期性带状起伏的高度为h2，圆弧面圆心与h2高度位置之间的高度差为h1，圆弧面圆心到电子注通道2的中心轴线之间的距离为L，电子注通道2的高度为hb，因此L＝h1+h2+hb/2。

在220GHz频段时，可以将参数设置为：a＝0.72mm，b＝0.46mm，p＝0.463mm，h1＝0.14mm，h2＝0.16mm，R＝0.06mm。值得说明的是，这些参数的取值都不是固定的，本申请实施例只是给出较佳参数值，例如，a＝0.72mm时，b可以为0.462mm，p可以为0.465mm。

本申请提供的一种倾斜类正弦波导慢波结构，设置有顺序的第一波导、电子注通道以及第二波导，且第一波导和第二波导均为倾斜类正弦的带状起伏结构，射频信号馈入倾斜类正弦波导慢波结构中后，射频信号和电子注在倾斜类正弦波导中进行注波互作用，经过一段时间的注波互作用，电子注交给电磁波的能量逐渐大于电磁波从电子注中吸收的能量，射频信号得到了放大，放大后的射频信号由射频输出端口馈出，与传统平顶正弦波导慢波结构相比，具有更高的耦合阻抗值电磁场在电子注通道中心区域更为集中，慢波结构中心区域的注波互作用更加强烈，使电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。

图3为基于本申请实施提供的倾斜类正弦波导慢波结构的行波管，包括顺序设置的第一布拉格结构7、输入耦合结构8、斜类正弦波导慢波结构、输出耦合结构9以及第二布拉格结构10。电子注与由第一布拉格结构7进入中间矩形电子注通道中，电磁波从输入耦合结构8馈入信号，射频信号和电子注在倾斜类正弦波导中进行注波互作用，经过一段时间的注波互作用，电子注交给电磁波的能量逐渐大于电磁波从电子注中吸收的能量，射频信号得到了放大，放大后的射频信号由输出耦合结构9馈出，电子注由第二布拉格结构10输出，两侧布拉格对电磁波起到了隔离和保护的作用。

图4为现有平顶正弦波导慢波结构与本发明倾斜类正弦波导慢波结构的色散特性比较图。从图4中的本发明实例和对比例相比较可知，本发明类梯形交错双栅结构相比于现有平顶正弦波导慢波结构，在相当宽的频带内(208～274GHz)，本发明倾斜类正弦波导慢波结构的归一化相速基本相同。

图5为现有平顶正弦波导慢波结构与本发明倾斜类正弦波导慢波结构的耦合阻抗比较图。从图5中的本发明实例和对比例相比较可以明显的看出，相比于现有的平顶正弦波导慢波结构，在相当宽的频带内(210～270GHz)，本发明所提供的倾斜类正弦波导慢波结构具有更高的耦合阻抗值。说明本发明中本发明实例相对于对比例慢波结构的耦合阻抗值得到了有效地提高，本发明实例中在220GHz频点处的耦合阻抗Kc＝2.80Ω，对比例中在220GHz频点处的耦合阻抗Kc＝2.24Ω，耦合阻抗Kc提升近25％，同时，结合图4，我们可以看出，在耦合阻抗提高的同时，色散特性没有降低这使电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。

图6为现有平顶正弦波导慢波结构与本发明倾斜类正弦波导慢波结构的传输参数比较图。从图6中的本发明实例和对比例相比较可知，相比于现有平顶正弦波导慢波结构，在210～270GHz频带内，两种慢波结构的传输参数基本相同。在高于255GHz的频带内，本发明倾斜类正弦波导慢波结构仍具有良好的传输参数，进一步说明本发明倾斜类正弦波导慢波结构具有更宽的冷带宽。

图7为现有平顶正弦波导慢波结构与本发明倾斜类正弦波导慢波结构的输出功率随输入功率变化比较图。从图7中的本发明实例和对比例相比较可知，相比于现有平顶正弦波导慢波结构，在输入功率为50mW-500mW范围内，本发明倾斜类正弦波导慢波结构和现有技术的平顶型正弦波导的输出功率均在输入功率为250mW-300mW时达到饱和，但是本发明倾斜类正弦波导慢波结构具有较高的输出功率，说明本发明实例相对于对比例慢波结构的耦合阻抗值得到了有效地提高，本发明实例中在输入功率为250mW处的输出功率为400W，对比例中在输入功率为250mW处的输出功率为326W，输出功率提升近23％，这意味着这种新型慢波结构具有更高的耦合阻抗，同等加工工艺下，本发明倾斜类正弦波导慢波结构相比于现有平顶型正弦波导，具有更优良的工作性能，即表明其具有更高的的输出功率、增益和互作用效率。

图8为平顶正弦波导慢波结构与倾斜类正弦波导慢波结构的输出功率随频率变化比较图。从图8中的本发明实例和对比例相比较可知，相比于现有平顶正弦波导慢波结构，在210～250GHz工作频带内，本发明倾斜类慢波结构的输出功率明显高于现有技术的平顶型正弦波导，说明本发明实例相对于对比例慢波结构的耦合阻抗值得到了有效地提高，本发明实例中在220GHz频点处的输出功率为400W，对比例中在220GHz频点处的输出功率为326W，输出功率提升近23％，这意味着本发明实例慢波结构在输出功率上具有很大的提升。

图9为平顶正弦波导慢波结构与倾斜类正弦波导慢波结构的增益随频率变化比较图。从图9中的本发明实例和对比例相比较可知，相比于现有平顶正弦波导慢波结构，在210～250GHz工作频带内，本发明倾斜类慢波结构的互作用增益明显高于现有技术的平顶型正弦波导，而且增益相对平坦，本发明实例中在220GHz频点处的互作用增益为32.04dB，3-dB互作用增益带宽为19GHz，而对比例中在220GHz频点处的互作用增益为31.15dB，3-dB互作用增益带宽为13GHz，3-dB互作用增益带宽拓宽近46％，这意味着本发明实例慢波结构在互作用增益上具有很大的提升。

结合图4、图5、图7、图8和图9可以看出，本发明倾斜类正弦波导慢波结构相对现有平顶正弦波导慢波结构，色散特性相同的情况下具有较高的耦合阻抗，同时具有较宽的冷带宽，PIC热模拟计算表明其具有较高的输出功率(提升23％)和较宽的互作用带宽(提升46％)，说明本发明倾斜类正弦波导慢波结构具有良好的性能。

以上的具体实施方式，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)

1.一种倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，包括壳体(1)，所述壳体(1)内设置有顺序的第一波导、电子注通道(2)以及第二波导，且所述第一波导和第二波导均为倾斜类正弦的带状起伏结构；所述第一波导和第二波导的周期相同，且所述第一波导与第二波导之间的周期交错设置；

所述第一波导设置为正半波带状起伏结构，且每个正半波均设置有倾斜角度；所述第二波导设置为负半波带状起伏结构，且每个负半波均设置有倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，所述第一波导与第二波导交错半个周期。

3.根据权利要求1所述的倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，所述第一波导包括若干正半波空腔(3)，两两相邻所述正半波空腔(3)之间通过第一栅体(4)隔开，所述第一栅体(4)靠近电子注通道(2)的位置设置为第一平面，且所述第一栅体(4)上靠近所述第一平面的两个角的角度均为θ，θ的取值范围为0度到90度。

4.根据权利要求3所述的倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，所述第二波导包括若干负半波空腔(5)，两两相邻所述负半波空腔(5)之间通过第二栅体(6)隔开，所述第二栅体(6)靠近电子注通道(2)的位置设置为第二平面，且所述第二栅体(6)上靠近所述第二平面的两个角的角度均为θ，θ的取值范围为0度到90度。

5.根据权利要求3所述的倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，所述正半波空腔(3)的波峰处设置为半径为R的圆弧面。

6.根据权利要求4所述的倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，所述负半波空腔(5)的波谷处设置为半径为R的圆弧面。

7.根据权利要求4所述的倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，所述θ的取值为71度。

8.根据权利要求3所述的倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，所述第一平面的宽度为W，一个所述正半波空腔(3)与一个所述第一栅体(4)为一个周期，该周期长度为P，且W<P/2。

9.根据权利要求4所述的倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，所述第二平面的宽度为W，一个所述负半波空腔(5)与一个所述第二栅体(6)为一个周期，该周期长度为P，且W<P/2。

10.根据权利要求1所述的倾斜类正弦波导慢波结构，其特征在于，所述第一波导、电子注通道(2)以及第二波导均连通至外部空间。

Images