CN116403873A - 一种具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构 - Google Patents

一种具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构 Download PDF

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张长青
潘攀
蔡军
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Abstract

本发明提供一种具有类椭圆谐振腔的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连通直波导段；所述直波导段包括与连接部配合的配合部以及位于配合部两侧的弧面部。该慢波结构能够在增大饱和输出功率和增益的前提下提高结构的设计加工一致性，降低设计复杂度，降低结构损耗。

Description

一种具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构
技术领域
本发明涉及技术领域。更具体地，涉及一种具有类椭圆谐振腔的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。随着行波管高频率、高功率领域应用场景的不断发展，人们对于适应高频率太赫兹频段的高功率行波管慢波结构具有很强的需求。发展具有大电子注通道、强电子注-电磁场互作用能力、契合带状电子注且利于带状电子注聚焦的新型行波管慢波结构变得日益重要。
对称双槽耦合腔慢波结构作为传统圆形注耦合腔慢波结构向带状电子注发展的标志性产物，其因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，同时又具有较其它带状电子注行波管常见的慢波结构如交错双栅结构、正弦波导结构等更大的电子注通道和更高的耦合阻抗而显示出在高频率大功率行波管慢波结构领域独特的竞争优势。对称双槽耦合腔慢波电路的基本结构如图1所示。然而，传统的对称双槽耦合腔慢波结构也具有一些不足之处。首先，由于现有加工技术的限制，对称双槽耦合腔慢波结构的耦合腔边缘在实际加工中会不可避免地产生圆角。由于高频率器件的结构尺寸较小，这使得加工产生的圆角对结构的电磁特性的影响不可忽略。因此，在设计中还需额外考虑加工圆角的影响，使得设计与加工的协调性下降，增大设计难度，降低产品可靠性。其次，对称双槽耦合腔慢波结构在太赫兹频段相对而言损耗水平较高。这使得对称双槽耦合腔慢波结构产生的欧姆热更多，结构散热难度更高，同时影响该结构的饱和输出功率水平和增益水平。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构能够在增大饱和输出功率和增益的前提下提高结构的设计加工一致性，降低设计复杂度，降低结构损耗。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供一种具有类椭圆谐振腔的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连通直波导段；
所述直波导段包括与连接部配合的配合部以及位于配合部两侧的弧面部。
此外，优选地方案是，两个弧面部相对于电子注通道轴线呈对称设置。
此外，优选地方案是，所述连接部的竖直截面为矩形；所述电子注通道的竖直截面为矩形；所述配合部的水平截面为矩形。
此外，优选地方案是，相邻周期内的相邻两个直波导段的弧面部形成半椭圆形结构。
此外，优选地方案是，定义，半椭圆形结构的半长轴长度为a，直波导段的宽度为w，连接部的宽度为sx；
当配合部的宽度等于连接部的宽度时，w＝2a+sx。
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，电子注通道宽度*电子注通道高度≥0.18mm2。
此外，优选地方案是，电子注通道宽度/电子注通道高度≥3。
此外，优选地方案是，电子注通道高度不小于0.2mm。
本发明的有益效果为：
由于本发明的谐振腔的横截面为位于两侧的两个对称设置的半椭圆结构与位于中间的矩形结构连接形成，因此可以通过调整矩形结构的宽度，来调整两侧半椭圆结构的半长轴长度而不改变谐振腔的总体的宽度，这样可以使得耦合腔的腔体谐振频率和整体慢波结构的电磁特性得以保持，同时使半椭圆的尖端曲率半径满足加工条件使得加工得到的实物与设计结构完全相同，提高设计加工一致性，降低设计难度。
本发明利用谐振腔结构的优化，降低了结构的金属损耗。在太赫兹频段，慢波结构的损耗减小有助于优化结构的热性能，增加结构的饱和输出功率和饱和增益大小，提高结构的电磁性能。
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是传统对称双槽耦合腔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侧视图。
图2C是本发明的慢波结构的类椭圆谐振腔的示意图。
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5是本发明与对称双槽耦合腔慢波结构的金属损耗对比图。
图6是本发明的真空腔体结构图。
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。
为了降低结构损耗。本发明提供一种具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构，结合图1至图6所示，具体地所述具有类椭圆谐振腔的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10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30；所述波导连接段包括相对于电子注通道30呈对称设置的连接部20；所述连接部20沿电子注通道30轴线方向连通直波导段10；所述电子注通道30将连接部20分为两个半部，其中一个半部位于电子注通道30一侧，另一个位于电子注通道30的另一侧；所述直波导段包括与连接部20连通配合的配合部11以及位于配合部11两侧的弧面部12；弧面部12位于配合部11沿电子注通道轴线方向两侧。需要说明的是，类椭圆谐振腔和连接部20构成了电磁波能量的传播通道，即直波导段10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。当谐振腔变为长方体腔时，本发明的慢波结构会退化为传统对称双槽耦合腔慢波结构。
结合图2A、2B和2C所示，类椭圆谐振腔包括对称设置的两个半椭圆形结构13以及位于中间的矩形结构14，矩形结构14的长度与半椭圆形结构13的短轴长度相同。半椭圆形结构13的半长轴长度为a，短轴长度为d，类椭圆谐振腔的整体宽度为w，高度为h。所述连接部20的竖直截面为矩形，连接部20的宽度为sx，高度为sy。带状电子注在竖直截面为矩形的电子注通道30中运动，电子注通道30宽度为xt，高度为yt，慢波结构的一个周期长度为p。类椭圆腔的结构设计既可以兼顾结构的电磁特性，又可以兼顾加工能力。通过调整中间的矩形结构14的宽度，可以在不改变耦合腔宽度的前提下改变两个半椭圆形结构13的半长轴长度。这样，既可以维持谐振腔的谐振频率，又可以保持半椭圆尖端的曲率半径在加工刀具可实现的半径范围之内，保证其满足加工可行性。
在上述实施例中，在同一水平面内，x方向与z方向相垂直；y方向与x方向和z方向均垂直；所述慢波结构宽度沿x方向延伸，所述慢波结构高度沿y方向延伸，所述慢波结构厚度沿z方向延伸；z方向为电子注通道轴线方向，两个弧面部12相对于电子注通道轴线呈对称设置，两个弧面部12沿x方向排列。
进一步地，单个弧面部12为四分之一椭圆形结构，相邻周期内的相邻两个直波导段10的弧面部12形成用以构成类椭圆谐振腔的位于两侧的两个半椭圆形结构13；所述配合部11的水平截面为矩形，相邻周期内的相邻两个直波导段10的配合部11形成用以构成类椭圆谐振腔位于中间的矩形结构14。
更进一步地，所述直波导段10宽度大于连接部20宽度；半椭圆形结构13的半长轴长度为a，短轴长度为d；直波导段10的宽度为w；连接部20的宽度为sx；当配合部11的宽度等于连接部20的宽度时，w＝2a+sx；可以理解的是，直波导段10的宽度即为类椭圆谐振腔的整体宽度，通过调整配合部11的宽度，进而调整两侧半椭圆结构13的半长轴长度而不改变谐振腔的总体的宽度，这样可以使得耦合腔的腔体谐振频率和整体慢波结构的电磁特性得以保持，同时使半椭圆的尖端曲率半径满足加工条件使得加工得到的实物与设计结构完全相同，提高设计加工一致性，降低设计难度。
在一实施例中，所述电子注通道30宽度小于直波导段10宽度，所述电子注通道30高度小于直波导段10高度。所述电子注通道30宽度沿x方向为xt，所述电子注通道30高度沿y方向为yt，即xt<w，yt<h；所述电子注通道30大小为xt×yt，所述电子注通道30尺寸大小根据所需电子注尺寸进行调节。
具体地，所述电子注通道30高度不小于0.2mm，电子注通道30宽度*电子注通道30高度≥0.18mm2；电子注通道30宽度/电子注通道30高度≥3。
为了避免连接部20与电子注通道30之间发生干涉，所述波导连接段与电子注通道30之间包括间隔距离，连接部20与电子注通道30存在间隔，也就是说在y方向上，yt+2sy<h。
本发明的具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构的色散特性与传统对称双槽耦合腔慢波结构相似。如图3所示，使用模式2为工作模式。本发明的具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构具有很高的耦合阻抗，如图4所示，其耦合阻抗在220GHz附近约为11Ω，显著高于交错双栅结构和正弦波导结构。
本发明的慢波结构损耗与对称双槽耦合腔慢波结构的损耗对比如图5所示，其中导体的电导率设置为2.2x107S/m。在同电子注通道大小、同频段的前提下，本结构比对称双槽耦合腔慢波结构具有明显更小的金属损耗。在220GHz频率处，本发明较对称双槽耦合腔慢波结构的金属损耗小30dB/m。
下面给出本发明的一个具体实施例：
结构参数为：xt＝1.25mm，yt＝0.3mm，w＝1.3mm，h＝0.74mm，d＝0.36mm，a＝0.405mm，sx＝0.55mm，sy＝0.11mm，p＝0.46mm。其慢波电路的真空腔体结构如图6所示。该结构实际加工可以沿xoz平面分为上下两个部分分别进行加工。
综上所述，由于本发明的谐振腔的横截面为位于两侧的两个对称设置的半椭圆结构与位于中间的矩形结构连接形成，因此可以通过调整矩形结构的宽度，来调整两侧半椭圆结构的半长轴长度而不改变谐振腔的总体的宽度，这样可以使得耦合腔的腔体谐振频率和整体慢波结构的电磁特性得以保持，同时使半椭圆的尖端曲率半径满足加工条件使得加工得到的实物与设计结构完全相同，提高设计加工一致性，降低设计难度。
本发明利用谐振腔结构的优化，降低了结构的金属损耗。在太赫兹频段，慢波结构的损耗减小有助于优化结构的热性能，增加结构的饱和输出功率和饱和增益大小，提高结构的电磁性能。
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 (10)

1.一种具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，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连通直波导段；
所述直波导段包括与连接部配合的配合部以及位于配合部两侧的弧面部。
2.根据权利要求1所述的具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，两个弧面部相对于电子注通道轴线呈对称设置。
3.根据权利要求1所述的具有类椭圆谐振腔的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；所述电子注通道的竖直截面为矩形；所述配合部的水平截面为矩形。
4.根据权利要求1所述的具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，相邻周期内的相邻两个直波导段的弧面部形成半椭圆形结构。
5.根据权利要求4所述的具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，定义，半椭圆形结构的半长轴长度为a，直波导段的宽度为w，连接部的宽度为sx；
当配合部的宽度等于连接部的宽度时，w＝2a+sx。
6.根据权利要求1所述的具有类椭圆谐振腔的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。
7.根据权利要求1所述的具有类椭圆谐振腔的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所述的具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，电子注通道宽度*电子注通道高度≥0.18mm2。
9.根据权利要求1所述的具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，电子注通道宽度/电子注通道高度≥3。
10.根据权利要求1所述的具有类椭圆谐振腔的对称双槽耦合腔慢波结构，其特征在于，电子注通道高度不小于0.2mm。
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