CN116130318A - 一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波真空电子器件领域，具体提供一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，用以提高扩展互作用速调管的功率和增益，拓展带宽。本发明创造性的提出长底边与谐振腔宽边等比例的等腰梯形亚波长孔，进而设计得到输入腔、中间腔及输出腔，使得中间腔增大了注波互作用面积，增大了特性阻抗，提高了互作用效率，同时能够使品质因数较小，避免产生寄生振荡；使得输入腔和输出腔提高了特性阻抗，注波互作用得到增强，同时使得输入反射系数S11值比较大且‑5dB带宽大于1GHz，能量馈入和扩展带宽的能力得到进一步提升。与传统的梯形线结构相比，本发明的扩展互作用速调管在大功率、高增益以及宽带宽方面具有明显的优势。

Description

一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管
技术领域
本发明属于微波真空电子器件领域，具体提供一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管。
背景技术
随着太赫兹技术在通信、雷达、医疗以及安检等领域的不断发展和应用，迫切需求性能指标更加优越的太赫兹辐射源，当前太赫兹源主要有固态半导体器件和真空电子器件两类；在近些年的发展历程中，固体半导体器件具有尺寸小、成本低、易于生产和集成化的特点，在低频段逐步取代了真空器件；然而，在高频段乃至太赫兹频段，由于固态半导体器件中电流子在导体内部之间会发生相互碰撞，其电子迁移率比真空中要低，同时由于当前加工材料和制作工艺的限制，输出功率只能接近瓦量级，达到瓦级及以上水平仍有很大困难；相比而言，真空电子器件能够在高频段下产生更高的输出功率，同时具有可靠的稳定性；因此，在太赫兹频段，真空电子器件具有更大的优势和潜力，是推动太赫兹技术实现更好应用的有效办法。
在真空电子器件中，速调管具有高功率、高效率、高增益、体积小、稳定性好等优点，在通信、雷达等民用以及军用领域都有广泛的应用。速调管的高频系统是由谐振腔构成，谐振腔的存在使得电磁场更加集中，输出功率和增益都很高，但速调管的带宽也随着其窄带宽的特性变得相对较窄；同时，行波管是一种带宽比较宽的真空器件，但增益、功率方面却没那么理想；在此基础上，扩展互作用速调管的高频结构既可以看成是慢波结构，也可以是谐振腔，结合了速调管和行波管的优点，是一种具有更宽频带的新型速调管器件。
目前，传统的扩展互作用速调管如图1所示，主要包括：矩形电子注通道、输入腔、中间腔、输出腔以及漂移管，其中，输入腔、中间腔、输出腔均采用梯形线结构；传统梯形线结构如图2所示，中间腔由上耦合腔、谐振腔与下耦合腔构成，谐振腔与上、下耦合腔之间通过矩形亚波长孔连接，输入腔的上耦合腔通过耦合孔连接标准矩形波导，输出腔的上耦合腔通过耦合孔连接标准矩形波导。与原始的无孔梯形线结构相比，中间腔采用矩形亚波长孔虽然使能量集中于注波互作用区，增大了特性阻抗，提高了互作用效率，但是其品质因数过大，容易产生寄生振荡；输入腔和输出腔采用矩形亚波长孔虽然特性阻抗略有提高，注波互作用得到增强，但是其输入反射系数S11值仍比较小且-5dB带宽不到1GHz，能量馈入和扩展带宽的能力仍比较差。
发明内容
本发明的目的在于针对传统梯形线结构的扩展互作用速调管存在的诸多问题，提供一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，用以提高扩展互作用速调管的功率和增益，拓展带宽。本发明创造性的提出长底边与谐振腔宽边等比例的等腰梯形亚波长孔，进而设计得到输入腔、中间腔及输出腔，进而构成高频结构的扩展互作用速调管；与传统的梯形线结构以及具有矩形、不等比例的等腰梯形亚波长孔结构相比，中间腔采用等比例的等腰梯形亚波长孔，进一步增大了注波互作用面积，增大了特性阻抗，提高了互作用效率，同时能够使品质因数较小，避免产生寄生振荡；输入腔和输出腔采用等比例的等腰梯形亚波长孔，提高了特性阻抗，注波互作用得到增强，同时能够使得输入反射系数S11值比较大且-5dB带宽大于1GHz，能量馈入和扩展带宽的能力得到进一步提升；最终使得本发明的扩展互作用速调管在大功率、高增益以及宽带宽方面具有明显的优势。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，包括：输入腔、多个中间腔、输出腔、矩形电子注通道以及漂移管，其中，输入腔、多个中间腔、输出腔通过漂移管依次连接；其特征在于，所述输入腔、中间腔、输出腔均采用梯形线结构，所述梯形线结构由上耦合腔、谐振腔与下耦合腔构成，谐振腔与上、下耦合腔之间通过等腰梯形亚波长孔连接，等腰梯形亚波长孔的长底边与谐振腔宽边等比例，矩形电子注通道垂直谐振腔横截面延伸，上耦合腔与下耦合腔采用相同结构。
进一步的，所述输入腔与输出腔中耦合腔的高度相同，多个中间腔中耦合腔的高度按照输入腔到输出腔方向依次递减。
进一步的，所述输入腔、多个中间腔、输出腔中耦合腔的宽度与长度均相同。
进一步的，所述输入腔、多个中间腔、输出腔中谐振腔以及等腰梯形亚波长孔的尺寸均相同。
进一步的，输入腔的上耦合腔通过耦合孔连接标准矩形波导，形成输入端；输出腔的上耦合腔通过耦合孔连接标准矩形波导，形成输出端。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明的梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管采用长底边与谐振腔宽边等比例的等腰梯形亚波长孔，与传统的梯形线结构以及具有矩形、不等比例的等腰梯形亚波长孔结构相比，使得电场能量更加集中在互作用区，增大了注波互作用面积，增大了特性阻抗，提高了互作用效率，同时能够使品质因数较小，避免产生寄生振荡；输入腔和输出腔采用等比例的等腰梯形亚波长孔，提高了特性阻抗，注波互作用得到增强，同时能够使得输入反射系数S11值比较大且-5dB带宽大于1GHz，能量馈入和扩展带宽的能力得到进一步提升。最终，使得整个扩展互作用速调管具有大功率、高增益以及宽带宽的优点。
附图说明
图1为传统扩展互作用速调管的结构示意图。
图2为传统梯形线结构的中间腔和输入输出腔三维结构示意图。
图3为本发明中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管的三维结构示意图。
图4为本发明中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管的侧视结构示意图，其中，1为输入腔，2为第一中间腔，3为第二中间腔，4为第三中间腔，5为第四中间腔，6为输出腔，7为矩形电子注通道。
图5为本发明中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管中输入、输出腔的结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为三维结构图。
图6为本发明中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管中中间腔的结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为三维结构图。
图7为本发明实施例中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管的输入腔和输出腔的本征模式，采用TM31-2π工作模式。
图8为本发明实施例中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管的输入腔和输出腔的输入反射系数S11。
图9为本发明实施例中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管的TM31-2π工作模式的电场分布图。
图10为本发明实施例中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管的峰值输出功率图。
图11为本发明实施例中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管的输出信号的频谱图。
图12为本发明实施例中梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管的在不同的输入频率下输出信号的功率与增益图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，其结构如图3、图4所示，包括：输入腔1，第一至第四中间腔2～5，输出腔6，矩形电子注通道7，以及五段漂移管；其中，输入腔、第一至第四中间腔、输出腔通过漂移管依次连接；所述输入腔、中间腔、输出腔均采用梯形线结构，所述梯形线结构由上耦合腔、谐振腔与下耦合腔构成，谐振腔与上、下耦合腔之间通过等腰梯形亚波长孔连接，等腰梯形亚波长孔的长底边与谐振腔宽边(x轴方向)等比例，矩形电子注通道垂直谐振腔横截面延伸，上耦合腔与下耦合腔采用相同结构；输入腔的上耦合腔通过耦合孔连接标准矩形波导，形成输入端；输出腔的上耦合腔通过耦合孔连接标准矩形波导，形成输出端。
进一步的，所述输入腔与输出腔中耦合腔的高度(y轴方向)相同，第一至第四中间腔中耦合腔的高度(y轴方向)依次递减；所述输入腔、第一至第四中间腔、输出腔中耦合腔的长度(x轴方向)与宽度(z轴方向)均相同；所述输入腔、第一至第四中间腔、输出腔中谐振腔以及等腰梯形亚波长孔的尺寸(高度、长度与宽度)均相同；如图5、图6所示。
本实施例中，上述梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管的具体尺寸为：输入腔与输出腔中耦合腔的高度相同均为1.07mm(y轴方向)，第一至第四中间腔中耦合腔的高度依次递减，分别为1.1mm、1.04mm、1.03mm、1.02mm(y轴方向)；输入腔、第一至第四中间腔、输出腔中耦合腔的长度与宽度均相同，长度为1.5mm(z轴方向)，宽度为0.86mm(x轴方向)；输入腔、第一至第四中间腔、输出腔中谐振腔尺寸(高度、宽度与长度)均相同，高度为0.88mm(y轴方向)，长度为0.84mm(x轴方向)，宽度为0.09mm(z轴方向)；输入腔、第一至第四中间腔、输出腔中等腰梯形亚波长孔的尺寸(高度、宽度与长度)均相同，高度为0.11mm(y轴方向)，长底边为0.84mm(x轴方向)，短底边为0.09mm(x轴方向),厚度为0.09mm(z轴方向)；矩形电子注通道的高度为0.8mm(y轴方向)，宽度为0.14mm(x轴方向)，总长度为19.83mm(z轴方向)；五段漂移管的高度(y轴方向)和宽度(x轴方向)与电子注尺寸通道相同，漂移管的长度分别为2.4mm、2.2mm、1.81mm、1.85mm、1.18mm(z轴方向)。
针对输入、输出腔，采用等比例的等腰梯形亚波长孔，工作模式为TM31-2π，特性阻抗为234.14Ω，注波互作用得到了增强，本征模式如图7所示；输入反射系数S11值比较大且-5dB带宽为1.03GHz，大于1GHz，能量馈入和扩展带宽的能力得到进一步提升，输入反射系数S11如图8所示。
针对中间腔，采用等比例的等腰梯形亚波长孔，提高了特性阻抗，增加了注波互作用面积，提高了互作用效率，同时能够使品质因数较小，避免了寄生振荡，工作模式为TM31-2π如图9所示。
对上述梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管进行仿真测试，对于六腔梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，当电子注电压为15.1kV，电子注电流为0.3A，用于聚焦电子注的磁感应强度为0.35T，输入信号为0.02W时，得到放大信号的峰值输出功率171.25W，电子效率为3.78％，如图10所示；将输出信号进行傅里叶变换得到信号的频谱图，频谱非常纯净，频率为230.56GHz，没有其他杂频信号，如图11所示；在不同的输入信号频率下，得到最大输出功率为171.25W，增益为39.3dB，-3dB带宽超过1.1GHz，如图12所示。
综上所述，本发明提供了一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，在太赫兹频段有效实现了高功率、高增益以及宽带宽，解决了传统梯形线结构速调管在太赫兹频段的不利因素，为研究其他亚波长孔结构的电真空器件提供了新的设计思路。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，包括：输入腔、多个中间腔、输出腔、矩形电子注通道以及漂移管，其中，输入腔、多个中间腔、输出腔通过漂移管依次连接；其特征在于，所述输入腔、中间腔、输出腔均采用梯形线结构，所述梯形线结构由上耦合腔、谐振腔与下耦合腔构成，谐振腔与上、下耦合腔之间通过等腰梯形亚波长孔连接，等腰梯形亚波长孔的长底边与谐振腔宽边等比例，矩形电子注通道垂直谐振腔横截面延伸，上耦合腔与下耦合腔采用相同结构。
2.按权利要求1所述梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，其特征在于，所述输入腔与输出腔中耦合腔的高度相同，多个中间腔中耦合腔的高度按照输入腔到输出腔方向依次递减。
3.按权利要求1所述梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，其特征在于，所述输入腔、多个中间腔、输出腔中耦合腔的宽度与长度均相同。
4.按权利要求1所述梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，其特征在于，所述输入腔、多个中间腔、输出腔中谐振腔以及等腰梯形亚波长孔的尺寸均相同。
5.按权利要求1所述梯形亚波长孔高频结构的扩展互作用速调管，其特征在于，输入腔的上耦合腔通过耦合孔连接标准矩形波导，形成输入端；输出腔的上耦合腔通过耦合孔连接标准矩形波导，形成输出端。
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