CN113113279B - 一种余弦栅加载类正弦波导慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种余弦栅加载类正弦波导慢波结构，在现有平顶型正弦波导慢波结构基础上，使被削顶部分在宽边方向为一个周期的余弦起伏，形成一个余弦栅，即在正弦波导的上波谷和下波峰之间加载余弦栅。经测试，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构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，电子注通道两侧空间较大，在行波管注波互作用时能有效降低磁场，同时高频传输特性得到了极大改善，意味着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

一种余弦栅加载类正弦波导慢波结构

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种余弦栅加载类正弦波导慢波结构。

背景技术

开发太赫兹频段内的电磁频谱资源是当今电子科学与技术领域的前沿研究方向之一。太赫兹频段的电磁波在科学研究、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。真空电子器件是能够实现大功率太赫兹波辐射源的一种很有潜力的器件。行波管和返波管是在真空电子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有折叠波导、矩形交错双栅、耦合腔等结构。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、加工精度低。

如图1所示，在2017年11月21日授权公告的、公告号为CN105869971B的中国发明专利公开了《一种平顶型正弦波导慢波结构》，在正弦波导慢波结构的基础上，适当地压缩窄边尺寸b，压缩的大小等于上下正弦线周期性带状起伏被削顶的高度，使得尺寸参数满足：b<h_b+2h，其中h_b为带状电子注通道的高度，h为正弦线周期性带状起伏的高度。经测试，该平顶型正弦波导慢波结构具有更高的耦合阻抗值，同时色散特性得到了改善，这样克服了传统的耦合阻抗提高，而色散特性降低的缺陷，意味着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。

常规正弦波导高频***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，这种结构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。因此研制出新的耦合阻抗更高且高频损耗低的慢波结构就具有及其重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种余弦栅加载类正弦波导慢波结构，以提高其耦合阻抗，改善高频损耗特性，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。

为实现上述发明目的，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构，包括：

一正弦波导，其宽边长度为a，窄边长度为b，纵向(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，正弦线周期性带状起伏的高度为h，正弦线周期性带状起伏的周期长度为p，正弦线周期性带状起伏的宽度为a；

上下正弦线周期性带状起伏之间为带状电子注通道，该带状电子注通道的宽度为正弦波导的宽边长度a；

上下正弦线周期性带状起伏在带状电子注通道方向上被削顶，被削顶部分在带状电子注通道方向上为直线型(没有起伏)；

其特征在于：

所述上下正弦线周期性带状起伏被削顶部分在宽边方向为一个周期的余弦起伏，形成一个余弦栅(上正弦线周期性带状起伏上形成的余弦栅为上余弦栅，下正弦线周期性带状起伏上形成的余弦栅为下余弦栅)，其周期与宽边长度相同为a，起伏幅度为h2；

上余弦栅下方与下余弦栅上方在窄边方向最小距离为h1(即上余弦栅的波谷与下余弦栅波峰窄边方向的距离即高度差为h1)，带状电子注通道高度为：hb＝h1+h2+h2×cos(2πx/a)，其中，x为余弦起伏位置距离正弦波导壁距(即带状电子注通道壁)的距离。

本发明目的是这样实现的：

本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构，在现有平顶型正弦波导慢波结构基础上，使被削顶部分在宽边方向为一个周期的余弦起伏，形成一个余弦栅，即在正弦波导的上波谷和下波峰之间加载余弦栅，余弦栅的宽度为a，上下余弦栅上下最小距离为h1，余弦栅起伏幅度为h2，慢波结构宽边长度为a，窄边长度为b，正弦曲线起伏高度为h，纵向即传输方向上的起伏周期为p，电子注通道hb＝h1+h2+h2×cos(2πx/a)。经测试，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构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，电子注通道两侧空间较大，在行波管注波互作用时能有效降低磁场，同时高频传输特性得到了极大改善，意味着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

图1是现有平顶型正弦波导慢波结构一种具体实施方式结构示意图

图2是本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构一种具体实施方式结构示意图；

图3是图2所示余弦栅加载类正弦波导慢波结构沿传输方向的剖面图；

图4是图2所示余弦栅加载类正弦波导慢波结构沿宽边方向的剖面图；

图5是现有平顶正弦波导慢波结构与本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的色散特性比较图；

图6是现有平顶正弦波导慢波结构与本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的耦合阻抗比较图；

图7是现有平顶正弦波导慢波结构与本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的反射参数比较图；

图8是现有平顶正弦波导慢波结构与本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的传输参数比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

在本实施例中，如图2、3、4所示，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构包括正弦波导1，其宽边长度为a，窄边长度为b，纵向(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2，正弦线周期性带状起伏2的高度为h，正弦线周期性带状起伏2的周期长度为p，正弦线周期性带状起伏2的宽度为a。

上下正弦线周期性带状起伏2之间为带状电子注通道，该带状电子注通道的宽度为正弦波导的宽边长度a。

上下正弦线周期性带状起伏2在带状电子注通道方向上被削顶，被削顶部分在带状电子注通道方向上为直线型(没有起伏)。

本发明在现有平顶型正弦波导慢波结构的基础上，在上下正弦线周期性带状起伏被削顶部分，沿宽边方向设计了一个周期的余弦起伏3，该余弦起伏3形成一个余弦栅，该余弦栅周期与宽边长度相同为a，起伏幅度为h2。上正弦线周期性带状起伏上形成的余弦栅为上余弦栅，下正弦线周期性带状起伏上形成的余弦栅为下余弦栅。

上余弦栅下方与下余弦栅上方在窄边方向最小距离为h1(即上余弦栅的波谷与下余弦栅波峰窄边方向的距离即高度差为h1)，带状电子注通道高度为：hb＝h1+h2+h2×cos(2πx/a)，其中，x为余弦起伏位置距离正弦波导壁(即带状电子注通道壁)的距离。

在本实施例中，为了方便加工，上正弦线周期性带状起伏的顶部表面为弧形柱状表面，弧形柱状表面与两侧的上正弦线周期性带状起伏表面相切连接，其横截面为弧形，半径为R，圆心到上余弦栅波谷的距离为L，同样，下正弦线周期性带状起伏的底部表面为弧形柱状表面，弧形柱状表面与两侧的下正弦线周期性带状起伏表面相切连接，其横截面为弧形，半径为R，圆心到下余弦栅波峰的距离为L。这样就不需要将上正弦线周期性带状起伏的顶部表面以及下正弦线周期性带状起伏的底部表面加工为较难加工的正弦波峰结构以及正弦波谷结构。

在本实施例中，在220GHz频段，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的结构尺寸为(单位：mm)：a＝0.72mm，b＝0.55mm，p＝0.471mm，h＝0.24mm，h1＝0.13mm，h2＝0.01mm，hb＝h1+h2+h2×cos(2πx/a)。R＝0.1mm，L＝0.24mm。

在220GHz频段，针对现有平顶正弦波导慢波结构以及本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构，利用三维电磁仿真软件HFSS进行计算，获得其色散特性、耦合阻抗进出比较。同时，利用三维电磁仿真软件CST对两种慢波结构各80个周期进行模拟，获得两种慢波结构的高频损耗特性。仿真结果如图5、图6、图7、图8所示，其中，标号1、3、5、7分别是本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、反射参数曲线、传输参数曲线。标号2、4、6、8分别是现有平顶正弦波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、反射参数曲线、传输参数曲线；.

图5是现有平顶正弦波导慢波结构与本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的色散特性比较图。

在本实施例中，从图5中的本发明实例和对比例相比较可知，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波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(204～274GHz)，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构与现有平顶正弦波导慢波结构的归一化相速基本相同。

图6是现有平顶正弦波导慢波结构与本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的耦合阻抗比较图。

在本实施例中，从图6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(204～230GHz)，本发明所提供的余弦栅加载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＝2.03Ω，对比例中在220GHz频点处的耦合阻抗Kc＝1.60Ω，耦合阻抗Kc提升近27％，同时，结合图5，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意味着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7是现有平顶正弦波导慢波结构与本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的反射参数比较图。

在本实施例中，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210～250GHz频带内，两种慢波结构的反射参数都比较低。在高于250GHz的频带内，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构具有略低的反射参数。

图8是现有平顶正弦波导慢波结构与本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构的传输参数比较图。

在本实施例中，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210～270GHz频带内，本发明余弦栅加载类慢波结构的传输系数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频点处的传输参数S21＝-7.75dB，对比例中在220GHz频点处的传输参数S21＝-2.86dB，传输参数S21降低近63％，这意味着这种新型慢波结构具有非常低的高频损耗，同等加工工艺下，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构相比于现有平顶型正弦波导，具有更优良的传输性能，即表明其具有更高的的输出功率、增益和互作用效率

结合图7、图8，我们可以看出，本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构相对现有平顶正弦波导慢波结构，反射参数整体略低一点，但任然具有很低的反射参数，性能没有降低，然而传输参数相比于现有平顶型正弦波导下降很大，表明这种新型慢波结构具有非常低的高频损耗，说明本发明余弦栅加载类正弦波导慢波结构具有良好的性能。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种余弦栅加载类正弦波导慢波结构，包括：

一正弦波导，其宽边长度为a，窄边长度为b，纵向即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，正弦线周期性带状起伏的高度为h，正弦线周期性带状起伏的周期长度为p，正弦线周期性带状起伏的宽度为a；

上下正弦线周期性带状起伏之间为带状电子注通道，该带状电子注通道的宽度为正弦波导的宽边长度a；

上下正弦线周期性带状起伏在带状电子注通道方向上被削顶，被削顶部分在带状电子注通道方向上为直线型，即在带状电子注通道方向上没有起伏；

其特征在于：

所述上下正弦线周期性带状起伏被削顶部分在宽边方向为一个周期的余弦起伏，形成一个余弦栅，上正弦线周期性带状起伏上形成的余弦栅为上余弦栅，下正弦线周期性带状起伏上形成的余弦栅为下余弦栅，余弦栅周期与宽边长度相同为a，起伏幅度为h2；

上余弦栅下方与下余弦栅上方在窄边方向最小距离为h1，即上余弦栅的波谷与下余弦栅波峰窄边方向的距离即高度差为h1，带状电子注通道高度为：hb＝h1+h2+h2×cos(2πx/a)，其中，x为余弦起伏位置距离正弦波导壁的距离，正弦波导壁即带状电子注通道壁。

2.根据权利要求1所述的余弦栅加载类正弦波导慢波结构，其特征在于：

上正弦线周期性带状起伏的顶部表面为弧形柱状表面，弧形柱状表面与两侧的上正弦线周期性带状起伏表面相切连接，其横截面为弧形，半径为R，圆心到上余弦栅波谷的距离为L，同样，下正弦线周期性带状起伏的底部表面为弧形柱状表面，弧形柱状表面与两侧的下正弦线周期性带状起伏表面相切连接，其横截面为弧形，半径为R，圆心到下余弦栅波峰的距离为L。

3.根据权利要求2所述的余弦栅加载类正弦波导慢波结构，其特征在于：

结构尺寸为：a＝0.72mm，b＝0.55mm，p＝0.471mm，h＝0.24mm,h1＝0.13mm，h2＝0.01mm，R＝0.1mm，L＝0.24mm。

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