CN115440551A

CN115440551A - 一种带状注对称双槽耦合腔慢波结构

Info

Publication number: CN115440551A
Application number: CN202210973932.9A
Authority: CN
Inventors: 田瀚文; 张长青; 潘攀; 蔡军
Original assignee: Beijing Vacuum Electonics Research Institute
Current assignee: Beijing Vacuum Electonics Research Institute
Priority date: 2022-08-15
Filing date: 2022-08-15
Publication date: 2022-12-06

Abstract

本发明提供一种带状注对称双槽耦合腔慢波结构，该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；所述波导连接段包括两个相对于电子注通道呈对称设置的连接部；所述连接部沿电子注通道轴线方向贯穿直波导段。该慢波结构在保证工程实现可行性的前提下，能够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，同时可以保持高耦合阻抗和一定的带宽水平。

Description

一种带状注对称双槽耦合腔慢波结构

技术领域

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

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。

耦合腔行波管是最古老的行波管类型之一，它由在电子注通道上周期加载的一系列圆盘构成，又称为盘-荷结构其基本结构如图1所示。这种慢波结构形式简单，便于计算、设计，且具有很高的耦合阻抗，曾得到一定的应用。然而该结构的带宽很窄，这使得其在作为宽带器件的行波管的应用上受到了限制。

与此同时，为了适应太赫兹频段器件尺寸和功率的需求，带状电子注行波管得到了广泛的关注和应用，而传统的耦合腔结构行波管难以适应于带状电子注。此外，传统的耦合腔结构行波管难以增大电子注通道的横截面积，这使得进一步提升器件功率容量和电子注电流大小变得十分困难，进而不利于将其用作太赫兹频段的高功率源。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种带状注对称双槽耦合腔慢波结构，该慢波结构在保证工程实现可行性的前提下，能够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，同时可以保持高耦合阻抗和一定的带宽水平。

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对称双槽耦合腔慢波结构，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；

所述波导连接段包括两个相对于电子注通道呈对称设置的连接部；所述连接部沿电子注通道轴线方向贯穿直波导段。

此外，优选地方案是，所述连接部的竖直截面为矩形。

此外，优选地方案是，所述电子注通道的竖直截面为矩形。

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，所述电子注通道高度不小于0.2mm，宽度不小于0.8mm，横截面积不小于0.18mm²。

此外，优选地方案是，所述慢波结构的核心工作频点在G波段。

此外，优选地方案是，所述波导连接段与电子注通道之间包括间隔距离。

此外，优选地方案是，所述直波导段宽度大于连接部宽度。

本发明的有益效果为：

本发明将直波导段和波导连接段在结构上分离设计，使得慢波结构的尺寸参数可以被调节。因此可以通过增宽直波导段的宽度以便增宽电子注通道的宽度，使得电子注通道的尺寸大小不再受限于电磁场频率，电子注通道得到进一步拓宽，功率容量进一步加大。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的尺寸参数以及调节周期长度来实现；较于其它可以在G波段实现百瓦量级输出功率的带状电子注慢波结构，本发明可在维持频率与正常互作用的情况下，大幅拓展电子注通道截面积，尤其在带状电子注高度方向上，可以实现高度尺寸的增加，从而增加带状电子注流通率，降低带状电子注聚焦难度，以及增大互作用输出功率；而且本发明还具备高耦合阻抗的特点，可在太赫兹频段实现高功率输出。

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是传统慢波结构基本结构示意图。

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3是本发明的慢波结构的色散特性示意图。

图4本发明的慢波结构的耦合阻抗示意图。

图5A是本发明的真空腔体结构图。

图5B是本发明的金属模型坡面图。

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对称双槽耦合腔慢波结构，结合图1至图5B所示，具体地所述带状注对称双槽耦合腔慢波结构包括：形成多个周期性结构的直波导段100和波导连接段，以及位于慢波结构的中轴线位置处的电子注通道300；所述波导连接段包括两个相对于电子注通道呈对称设置的连接部200；所述连接部200沿电子注通道300轴线方向贯穿直波导段100，两个连接部200一个位于电子注通道的上方位置，另一个位于电子注通道的下方位置，且单个连接部200关于y轴对称设置。

在工作模式下，电磁波主要通过电子注通道传播，并在电子注通道中与带状电子注发生互作用。本发明的慢波结构能够增大电子注通道截面积并维持高耦合阻抗和较大带宽。

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宽度大于波导连接段的连接部200宽度；可以理解的是，直波导段100和波导连接段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，所述连接部200的竖直截面为矩形，竖直截面为与电子注通道300轴线相垂直的截面，所述波导连接段的连接部200高度沿y方向为ys；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d，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的竖直截面为矩形，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宽度小于直波导段100宽度，所述电子注通道300高度小于直波导段100高度，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，即xt<w，yt<h；所述电子注通道300大小为xt×yt，所述电子注通道300尺寸大小根据所需电子注尺寸进行调节。

在一实施例中，所述电子注通道300高度不小于0.2mm，宽度不小于0.8mm，横截面积不小于0.18mm²。

表1同工作频带下本发明与交错双栅结构电子注通道横截面积的比较

由表1可知，对于交错双栅结构，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；而对于本发明的慢波结构，其电子注通道300截面为矩形，宽度为0.85mm，长度为0.22mm，电子注通道300的横截面积为0.19mm²。

本发明保留了耦合腔结构的高耦合阻抗特点，其色散特性如图3所示，选择工作模式为模式二，工作在-1次空间谐波，在设计工作频段215GHz-220GHz内其耦合阻抗可达到5Ω-10Ω。作为对比，相同波段可实现相同功率量级的交错双栅结构仅可实现约1Ω-2Ω的耦合阻抗，可见本发明在太赫兹频段能够实现高功率输出。从工作性能方面来说，所述慢波结构的核心工作频点在G波段，并能够保证通道中心处耦合阻抗大于5Ω。

为了避免连接部200与电子注通道300之间发生干涉，所述波导连接段与电子注通道之间包括间隔距离，结合图2C所示，两个连接部200均与电子注通道300存在间隔，也就是说在y方向上，yt+2ys<h。

下面给出本发明的一个具体实施例：

该慢波结构的结构参数为：xt＝0.85mm，yt＝0.22mm，w＝1mm，h＝0.75mm，xs＝0.52mm，ys＝0.2mm，d＝0.24mm，p＝0.34mm。其慢波电路的真空腔体结构如图5A所示，它对应的实际加工的金属模型坡面图如图5B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300、一半的直波导段100及一半的波导连接段，可以理解的是，直波导段100为矩形谐振腔，连接部200为矩形槽。

综上所述，本发明将直波导段和波导连接段在结构上分离设计，使得慢波结构的尺寸参数可以被调节。因此可以通过增宽直波导段的宽度以便增宽电子注通道的宽度，使得电子注通道的尺寸大小不再受限于电磁场频率，电子注通道得到进一步拓宽，功率容量进一步加大。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的尺寸参数以及调节周期长度来实现；较于其它可以在G波段实现百瓦量级输出功率的带状电子注慢波结构，本发明可在维持频率与正常互作用的情况下，大幅拓展电子注通道截面积，尤其在带状电子注高度方向上，可以实现高度尺寸的增加，从而增加带状电子注流通率，降低带状电子注聚焦难度，以及增大互作用输出功率；而且本发明还具备高耦合阻抗的特点，可在太赫兹频段实现高功率输出。

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

1.一种带状注对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的带状注对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述连接部的竖直截面为矩形。

3.根据权利要求1所述的带状注对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述电子注通道的竖直截面为矩形。

4.根据权利要求1所述的带状注对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，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。

5.根据权利要求3所述的带状注对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述电子注通道高度不小于0.2mm，宽度不小于0.8mm，横截面积不小于0.18mm²。

6.根据权利要求1所述的带状注对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述慢波结构的核心工作频点在G波段。

7.根据权利要求1所述的带状注对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述波导连接段与电子注通道之间包括间隔距离。

8.根据权利要求1所述的带状注对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，所述直波导段宽度大于连接部宽度。