CN115346848A - 一种矩形折叠波导慢波结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矩形折叠波导慢波结构及其设计方法，所述慢波结构包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；各上栅体和各下栅体限定有多个周期性结构的直波导段和波导连接段；所述慢波结构还包括沿电子注通道的延伸方向设置的加载结构，所述加载结构位于电子注通道的一侧，该加载结构贯穿直波导段。该慢波结构能够改变矩形折叠波导内部场强分布，提升慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率的有效提升。

Description

一种矩形折叠波导慢波结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种矩形折叠波导慢波结构及其设计方法。

背景技术

慢波结构是微波真空电子器件的核心部分，其作用是降低在其中传输电磁波的相速度，使某一次空间谐波与电子注满足同步条件，电子注和电磁场之间会发生互作用，通过能量交换放大电磁波。在短毫米波及太赫兹频段，螺旋线加工将非常困难，而且高频工作下螺旋线慢波结构的功率处理能力较低，散热也存在巨大的困难，因此，在短毫米波及太赫兹行波管器件中，多才用全金属折叠波导慢波结构。折叠波导慢波结构机械强度高、散热好、功率容量大、频带宽、易于加工且与微加工技术相兼容等优点，被国内外电真空研究单位广泛研究。

如图1和图2所示，现有的常规矩形折叠波导慢波结构是将矩形波导沿电场面组成周期结构，电子注通道为圆柱形结构，位于折叠波导慢波结构的纵向中轴线上，电子注通道10和矩形折叠波导20内部为真空，其余为金属材料。电子注通道半径标记为r_c，矩形折叠波导的宽边尺寸用a表示，慢波结构的几何周期记为p，直波导201高度记为h、窄边记为b，横向直波导202窄边记为d。

在短毫米及太赫兹频段，常规矩形折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗较低，电子注与电磁波互作用效率不高，这将限制器件增益、功率及效率的性能提升，在一定程度上影响了这类慢波结构的应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种矩形折叠波导慢波结构及其设计方法，该慢波结构能够改变矩形折叠波导内部场强分布，提升慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率的有效提升。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种矩形折叠波导慢波结构，所述慢波结构包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；各上栅体和各下栅体限定有多个周期性结构的直波导段和波导连接段；

所述慢波结构还包括沿电子注通道的延伸方向设置的加载结构，所述加载结构位于电子注通道的一侧，该加载结构贯穿直波导段。

此外，优选地方案是，所述加载结构的竖直截面呈矩形。

此外，优选地方案是，所述慢波结构包括两个相对于电子注通道呈对称设置的加载结构。

此外，优选地方案是，周期性结构中相邻两个直波导段具有相同的互作用距离。

此外，优选地方案是，所述慢波结构的宽边长为a，加载结构的宽度为j，加载结构的宽度j大于0小于a。

此外，优选地方案是，所述电子注通道为圆形电子注通道，该电子注通道的半径为r_c，直波导段的高度为h，加载结构的高度为k，加载结构的高度k大于0小于(h-r_c)/2。

此外，优选地方案是，所述加载结构包括有与所述波导连接段对应的对应部，所述对应部由所述波导连接段内侧延伸形成。

此外，优选地方案是，所述加载结构与所述电子注通道之间包括间隔距离。

本发明还提供一种矩形折叠波导慢波结构的设计方法，该方法包括如下步骤：

设计彼此周期性交错分布的多个上栅体和多个下栅体，所述上栅体以及下栅体分别包括有位于电子注通道轴线上的且弯折方向相同的第一弯折部和第二弯折部；

设计沿电子注通道轴线方向贯穿第一弯折部以及第二弯折部的通槽，由此得到矩形折叠波导慢波结构。

本发明的有益效果为：

本发明通过在现有的矩形折叠波导慢波结构的基础上增加加载结构从而改变矩形折叠波导内部场强分布，提升慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率的有效提升，性能改善较为明显，与现有的矩形折叠波导慢波结构相比，轴向耦合阻抗增加40％以上，可使短毫米波及太赫兹器件增益和效率提高，且整体结构简单加工工艺易于实现。

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是现有的矩形折叠波导慢波结构的结构示意图。

图2是现有的单周期矩形折叠波导慢波结构的结构图。

图3是本发明的矩形折叠波导慢波结构的结构示意图。

图4A是本发明的矩形折叠波导单几何周期的结构示意图。

图4B是图4A的侧视图。

图4C是图4A的主视图。

图5是本发明的矩形折叠波导慢波结构和现有的矩形折叠波导慢波结构的色散曲线对比图之一。

图6是本发明的矩形折叠波导慢波结构和现有的矩形折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗对比曲线图之一。

图7是本发明的矩形折叠波导慢波结构和现有的矩形折叠波导慢波结构的色散曲线对比图之二。

图8是本发明的矩形折叠波导慢波结构和现有的矩形折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗对比曲线图之二。

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。

为了增加矩形折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗。本发明提供一种矩形折叠波导慢波结构，该结构具有阻抗高、结构简单易于加工等特点。结合图1至图8所示，具体地所述矩形折叠波导慢波结构包括形成多个几何周期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；

如图所示，本发明提供的矩形折叠波导慢波结构包括有彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及由各上栅体和下栅体限定的包括直波导段和波导连接段的多个周期性结构的折叠波导2。需要注意的是，基于矩形折叠波导的结构样式，结合图4A示出本发明所提供矩形折叠波导单几何周期的结构示意图，本实施方式也对应的以单几何周期的矩形折叠波导结构进行举例说明，但本领域技术人员可以理解的是，本发明中对波导连接段的结构进行的改进包括位于电子注通道上方位置的波导连接段22以及下方位置的波导连接段22。图4B与图4C中，a表示波导的宽边长，b表示波导的窄边长，h为直波导段高度，电子注通道半径为r_c，p为几何周期。本发明针对的是周期性结构中相邻两个直波导段21具有相同的互作用距离的矩形折叠波导慢波结构的改进，也就是说，图4B和4C中所示出的，波导连接段所对应的波导窄边长度d与相邻两个直波导段对应的波导窄边长度b相等，即矩形折叠波导2是由一等窄边长度的矩形波导连续弯折形成。

为了实现本发明的发明目的，在本发明中，所述慢波结构还包括沿电子注通道1的延伸方向设置的加载结构，所述加载结构位于电子注通道1的一侧，该加载结构贯穿直波导段21。

相较于现有技术，本发明通过在现有的矩形折叠波导慢波结构的基础上增加加载结构从而改变矩形折叠波导内部场强分布，提升慢波结构的耦合阻抗幅值，实现器件功率和效率的有效提升，性能改善较为明显，与现有的矩形折叠波导慢波结构相比，轴向耦合阻抗增加40％以上，可使短毫米波及太赫兹器件增益和效率提高，且整体结构简单加工工艺易于实现，且不会降低各部分的加工精度，可适用于短毫米及太赫兹行波管慢波结构。

进一步地，参照图3和图4A所示，在常规矩形折叠波导的基础上，在电子注通道1上方和下方加工两个加载结构31和32，位于电子注通道上方的为第一加载结构31，位于电子注通道下方的为第二加载结构32，加载结构的截面形状可以为矩形、椭圆、三角形等，本发明以矩形截面为例进行说明；即所述加载结构的竖直截面呈矩形，竖直截面为与电子注通道1轴线相垂直的截面；所述慢波结构包括两个相对于电子注通道1呈对称设置的加载结构，其可在不改变现有矩形直角折叠波导的其它结构尺寸的前提下，尽可能的有效增大波导连接段的内腔体积，以得到更优的内部场强分布，提升电子注通道附近的场强强度，提升慢波结构的耦合阻抗幅，实现器件功率和效率提升的效果。

结合图4B所示，基于慢波结构的自身的结构尺寸的限制，所述慢波结构的宽边长为a，加载结构的宽度为j，加载结构的宽度j大于0小于a；为避免电磁波沿加载槽传输，宽度j需小于电子波截止波长。

为了维持电子注通道的完整性，所述电子注通道为圆形电子注通道，该电子注通道的半径为r_c，直波导段的高度为h，加载结构的高度为k，加载结构的高度k大于0小于(h-r_c)/2。

具体的，在波导连接段22内壁向电子注通道方向铣出宽度为j，高度为k的矩形加载结构，其轴向长度与电子注通道1相同，即可形成本发明的矩形折叠波导慢波结构。

本发明的折叠波导慢波结构如图4A所示，所述加载结构与所述波导连接段之间相接触。进一步的，所述加载结构包括有与所述波导连接段22对应的对应部，所述对应部由所述波导连接段22内侧延伸形成，具体的，第一加载结构301的顶部与位于电子注通道1上方位置的波导连接段22连通，第二加载结构302的底部与下方位置的波导连接段22连通，加载结构轴向长度与电子注通道长度相同，与常规折叠波导不同的是，电子注通道上、下方各多了一个加载结构，加载结构与波导连接段22形成一个凸形腔体结构，使得波导连接段22的内腔得到增大，可改变现有矩形折叠波导内部场强分布，提升了电子注通道附近的场强强度，从而能够提升慢波结构的耦合阻抗幅。

为了避免加载结构与电子注通道之间发生干涉，所述加载结构与所述电子注通道1之间包括间隔距离。

在一具体实施例中，本发明的矩形折叠波导慢波结构尺寸设定为(单位：mm)a＝1.8，b＝0.3，d＝0.3，p＝1.32，h＝0.7，rc＝0.22，j＝0.5，k＝0.1。利用三维电磁软件CST建立折叠波导模型，分别对常规矩形折叠波导慢波结构和本发明的矩形折叠波导慢波结构建模仿真，并对各性能进行对比分析。

图5和图6为本发明矩形折叠波导慢波结构和常规矩形折叠波导慢波结构的色散曲线，相比于常规矩形折叠波导慢波结构，本发明的矩形折叠波导慢波结构相光速比(Vp/c)总体有所上升，轴向耦合阻抗(Kc)整体得到大幅提高。

在相速相同的条件下，计算本发明折叠波导结构的耦合阻抗增加幅度。调整周期p至1.26mm，使其中心频率相光速比与常规折叠波导相同，如图7所示。耦合阻抗的对比曲线如图8所示，相比于常规矩形折叠波导慢波结构，本发明的矩形折叠波导慢波结构90-120GHz频带内轴向耦合阻抗增加幅度在40％以上。因此，在其它条件不变条件下，以本发明的折叠波导慢波结构为互作用电路，微波电真空器因耦合阻抗增加，可以实现更高的增益和更高的功率和效率。

在另一实施例中，本发明还提供一种矩形折叠波导慢波结构的设计方法，该方法包括如下步骤：设计彼此周期性交错分布的多个上栅体结构和多个下栅体结构，所述上栅体以及下栅体分别包括有位于电子注通道轴线上的且弯折方向相同的第一弯折部和第二弯折部；设计沿电子注通道轴线方向贯穿全部第一弯折部以及全部第二弯折部的通槽，上述通槽的数量为两个，两个通槽相对于电子注通道呈对称设置，由此得到矩形折叠波导慢波结构。

本发明的矩形折叠波导慢波结构结构简单，仅在常规矩形波导的基础上，在电子注通道上下方位置铣出加载结构，加工工艺极易实现，性能改善较为明显，相比对常规结构，轴向耦合阻抗增加40％以上，适用于短毫米波及太赫兹器件增益和效率的提高。

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 (9)

1.一种矩形折叠波导慢波结构，所述慢波结构包括彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体、以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道；各上栅体和各下栅体限定有多个周期性结构的直波导段和波导连接段；其特征在于，

所述慢波结构还包括沿电子注通道的延伸方向设置的加载结构，所述加载结构位于电子注通道的一侧，该加载结构贯穿直波导段。

2.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述加载结构的竖直截面呈矩形。

3.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述慢波结构包括两个相对于电子注通道呈对称设置的加载结构。

4.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，周期性结构中相邻两个直波导段具有相同的互作用距离。

5.根据权利要求2所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述慢波结构的宽边长为a，加载结构的宽度为j，加载结构的宽度j大于0小于a。

6.根据权利要求2所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述电子注通道为圆形电子注通道，该电子注通道的半径为r_c，直波导段的高度为h，加载结构的高度为k，加载结构的高度k大于0小于(h-r_c)/2。

7.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述加载结构包括有与所述波导连接段对应的对应部，所述对应部由所述波导连接段内侧延伸形成。

8.根据权利要求1所述的矩形折叠波导慢波结构，其特征在于，所述加载结构与所述电子注通道之间包括间隔距离。

9.一种矩形折叠波导慢波结构的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

设计彼此周期性交错分布的多个上栅体和多个下栅体，所述上栅体以及下栅体分别包括有位于电子注通道轴线上的且弯折方向相同的第一弯折部和第二弯折部；

设计沿电子注通道轴线方向贯穿第一弯折部以及第二弯折部的通槽，由此得到矩形折叠波导慢波结构。

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