一種弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種弧形彎曲波導(dǎo)邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)屬于微波真空電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及微波真空電子器件。新型折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)為一系列直波導(dǎo)和弧形邊界彎曲波導(dǎo)的周期結(jié)構(gòu)，彎曲波導(dǎo)內(nèi)邊界Cin和/或外邊界Cout為非半圓弧，利用調(diào)整圓弧圓心(Oin和/或Oout)的位置(Yin和/或Yout)和半徑尺寸(Rin和/或Rout)來增大彎曲波導(dǎo)的寬度，以增強(qiáng)直波導(dǎo)間隙的電子注方向電磁場(chǎng)。本發(fā)明在沒有增加工藝復(fù)雜度和精度的條件下提高了耦合阻抗，適用于短毫米波及太赫茲器件增益和效率的提高。
【專利說明】一種弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波真空電子器件領(lǐng)域，具體涉及到一種弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]慢波結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于行波型微波真空電子器件(也可作為諧振腔用于擴(kuò)展互作用型駐波器件)，作用是降低在其中傳輸電磁波的相速度，使之與電子注保持同步，以獲得注波之間有效的互作用，屬于微波真空電子器件的核心部分。
[0003]隨著頻率提高到短毫米波段(40GHz-300GHz)甚至太赫茲(300GHz-3000GHz)范圍時(shí)，最常用的慢波結(jié)構(gòu)由于加工、散熱等技術(shù)難題在使用時(shí)受到很大的限制，因此，新型慢波結(jié)構(gòu)的探索工作得到了廣泛的重視。根據(jù)目前國(guó)外太赫茲真空電子器件的研制情況，折疊波導(dǎo)已經(jīng)成為最常用的一種慢波結(jié)構(gòu)。如圖1所示，折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)是將矩形波導(dǎo)沿電場(chǎng)面彎曲，組成一系列直波導(dǎo)和半圓彎曲波導(dǎo)(波導(dǎo)彎曲的內(nèi)外邊界均為半圓)的周期結(jié)構(gòu)，圓柱型電子注通道(若帶狀注時(shí)，截面為矩形)位于折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的中軸線上，其中a表示折疊波導(dǎo)中矩形波導(dǎo)那一部分的寬邊長(zhǎng)，b為該部分的窄邊長(zhǎng)，幾何周期為2p，直波導(dǎo)高度為h，電子注通道半徑為rc。圖2為單個(gè)幾何周期折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的剖面圖，圖中沒有顯示慢波結(jié)構(gòu)中的電子注通道。
[0004]這種彎曲邊界呈半圓形的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的最大缺點(diǎn)是耦合阻抗較低。根據(jù)皮爾斯小信號(hào)理論和微波管大信號(hào)理論，耦合阻抗值偏低會(huì)降低器件的增益、功率及效率等技術(shù)指標(biāo)。為了提高折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種新型折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，思路是在折疊波導(dǎo)的幾何形狀、結(jié)構(gòu)上，在金屬區(qū)域通過額外加載真空的幾何結(jié)構(gòu)。基本原理是通過脊(直波導(dǎo)附加結(jié)構(gòu))或槽(彎曲波導(dǎo)附加結(jié)構(gòu))的加載，增強(qiáng)直波導(dǎo)的波導(dǎo)間隙中電子注方向的電磁場(chǎng)。隨著頻率提高時(shí)器件特征尺寸的不斷減小，一旦進(jìn)入到短毫米波及太赫茲，金屬區(qū)域?yàn)檫@些附加結(jié)構(gòu)預(yù)留的空間很小，考慮到工藝可行和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，很難在金屬區(qū)加脊或開槽；即使得到應(yīng)用，在加工精度、工藝復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面存在瓶頸，無(wú)法發(fā)揮出預(yù)計(jì)的效果。
[0005]在當(dāng)前的新型折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)中，在保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工藝可行的前提下，不再通過附加額外的結(jié)構(gòu)，而是通過在原有的形狀、結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)耦合阻抗的提高。利用改變彎曲波導(dǎo)的邊界形狀、結(jié)構(gòu)，使得波導(dǎo)彎曲在電磁場(chǎng)傳輸?shù)臋M向尺寸加大，直波導(dǎo)的尺寸不變。相對(duì)彎曲波導(dǎo)直波導(dǎo)尺寸的減小會(huì)增強(qiáng)直波導(dǎo)的波導(dǎo)間隙中電子注方向的電磁場(chǎng)，促進(jìn)電磁場(chǎng)和電子注之間的能量交換，從而使電磁場(chǎng)能夠得到更有效的放大。針對(duì)短毫米波及太赫茲折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)小尺寸的特點(diǎn)，本申請(qǐng)研發(fā)了這種創(chuàng)新邊界形狀的慢波結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)傳統(tǒng)常用的半圓形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，不僅耦合阻抗低，而且零部件加工難度及工藝復(fù)雜度都將隨應(yīng)用頻率的提高而增加，為了克服這些困難，就需要研發(fā)一種新型的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，在不增加工藝難度和復(fù)雜性的前提下，能以獲得高的慢波結(jié)構(gòu)耦合阻抗，改善以這類慢波結(jié)構(gòu)為核心的短毫米波及太赫茲真空電子器件性能，本發(fā)明提出了一種弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明的目的是提供一種弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，包括形成一系列周期結(jié)構(gòu)的直波導(dǎo)段和弧形彎曲波導(dǎo)段，其特征在于，在折疊波導(dǎo)中，其弧形彎曲波導(dǎo)段部分的內(nèi)外邊界不再是半圓弧形狀，已由傳統(tǒng)的半圓弧形狀變?yōu)榉前雸A弧形狀，彎曲波導(dǎo)內(nèi)弧邊界Cin和外弧邊界Cwt的幾何形狀獨(dú)立或組合變化后使得彎曲波導(dǎo)段部分的寬度增加；所述彎曲波導(dǎo)內(nèi)邊界Cin和外邊界Crat變?yōu)榉前雸A弧，變化的趨勢(shì)是使彎曲波導(dǎo)部分的寬度變大以及內(nèi)部間隙的電磁場(chǎng)增加；結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整時(shí)，內(nèi)邊界從半圓弧向小于半圓弧的劣弧轉(zhuǎn)變，外邊界從半圓弧向大于半圓弧的優(yōu)弧轉(zhuǎn)變，內(nèi)外圓弧的起止點(diǎn)均與對(duì)應(yīng)的直波導(dǎo)段邊壁起止點(diǎn)重合，內(nèi)圓弧圓心點(diǎn)Oin向下垂直偏離直波導(dǎo)上邊界延長(zhǎng)線的距離為Yin，內(nèi)圓弧的半徑為Rin，外圓弧圓心點(diǎn)Orat向上垂直偏離直波導(dǎo)上邊界延長(zhǎng)線的距離為Ytjut，外圓弧的半徑為Rwt。
[0009]使彎曲波導(dǎo)的寬度變大的方式有內(nèi)外弧單獨(dú)變化、共同變化等多種方式，在此任意選擇一種內(nèi)邊界變?yōu)榱踊?、外邊界同時(shí)變?yōu)閮?yōu)弧組合的例子，設(shè)定結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)a=l.9，b=0.3,p=0.7，h=0.7,rc=0.22, Yin=Yout=0.1。利用三維電磁軟件對(duì)本發(fā)明的一種弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，計(jì)算得到色散曲線和軸線耦合阻抗，并與相同幾何尺寸的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的冷特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線和軸線耦合阻抗模擬結(jié)果已分別在附圖中表示。
[0010]本發(fā)明的有益效果是，在沒有增加工藝復(fù)雜度和精度的條件下提高了耦合阻抗，適用于短毫米波及太赫茲器件增益和效率的提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的立體示意圖；
[0012]圖2為單個(gè)幾何周期折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的剖面圖；
[0013]圖3為本發(fā)明弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)立體示意圖；
[0014]圖4為本發(fā)明的單個(gè)幾何周期剖面圖；
[0015]圖5為本發(fā)明折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)色散特性比較；
[0016]圖6為本發(fā)明折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的軸線耦合阻抗比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]參照?qǐng)D1、圖2，表示折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的立體示意圖及單個(gè)幾何周期示意圖，圖中a表示折疊波導(dǎo)中直波導(dǎo)段寬邊長(zhǎng)度，b表示折疊波導(dǎo)中直波導(dǎo)段窄邊長(zhǎng)度，h表示折疊波導(dǎo)中直波導(dǎo)段高度，幾何周期為2p，電子注通道半徑為r。，圖2中內(nèi)圓弧半徑為rin，外圓弧半徑為r_圓心點(diǎn)為0，線段距離為Yin和Υ_參考圖5和圖6表示模擬計(jì)算的曲線，SP處在短毫米波段與太赫茲波段交叉區(qū)域的3mm波段，弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)具體方案的結(jié)構(gòu)尺寸如下(單位:mm):a=l.9，b=0.3, p=0.7，h=0.7, rc=0.22, Yin=Yout=0.1。利用三維電磁軟件對(duì)本發(fā)明的一種弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，計(jì)算得到色散曲線和軸線耦合阻抗，并與相同幾何尺寸的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的冷特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，慢波結(jié)構(gòu)的色散曲線和軸線耦合阻抗冷特性模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。
[0018]圖5的結(jié)果顯示，對(duì)比折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，弧形彎曲波導(dǎo)邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)相光速比總體有所降低，在頻率低端影響不大，在頻率高端降低程度加大，較低的相光速比對(duì)應(yīng)較低的工作電壓，在設(shè)計(jì)中有利于實(shí)現(xiàn)器件的小型化。另外對(duì)更寬頻率范圍的色散分析顯示，新型慢波結(jié)構(gòu)的第一止帶寬度從3GHz提高到14GHz，對(duì)比折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)無(wú)帶邊振蕩的設(shè)計(jì)。
[0019]圖6的結(jié)果顯示，對(duì)比折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，弧形彎曲波導(dǎo)邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)耦合阻抗整體提高，在頻率低端提高30%，在中心頻率提高50%，在頻率高端成倍增加甚至更多，說明以新型慢波結(jié)構(gòu)為核心的微波電真空器件能夠?qū)崿F(xiàn)更高的增益和更大的功率。
【權(quán)利要求】
1.一種弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，包括形成一系列周期結(jié)構(gòu)的直波導(dǎo)段和弧形彎曲波導(dǎo)段，其特征在于，在折疊波導(dǎo)中，其弧形彎曲波導(dǎo)段部分的內(nèi)外邊界不再是半圓弧形狀，已由傳統(tǒng)的半圓弧形狀變?yōu)榉前雸A弧形狀，彎曲波導(dǎo)內(nèi)弧邊界Cin和外弧邊界Cwt的幾何形狀獨(dú)立或組合變化后使得彎曲波導(dǎo)段部分的寬度增加，結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整時(shí)，內(nèi)邊界從半圓弧向小于半圓弧的劣弧轉(zhuǎn)變，外邊界從半圓弧向大于半圓弧的優(yōu)弧轉(zhuǎn)變，利用調(diào)整圓弧圓心位置和半徑尺寸的辦法來增加彎曲波導(dǎo)的寬度，增強(qiáng)直波導(dǎo)段間隙電磁場(chǎng)，從而增加折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，提高真空器件性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的弧形彎曲邊界折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，內(nèi)外圓弧的起止點(diǎn)均與對(duì)應(yīng)的直波導(dǎo)段邊壁起止點(diǎn)重合，內(nèi)圓弧圓心點(diǎn)Oin向下垂直偏離直波導(dǎo)上邊界延長(zhǎng)線的距離為Yin，內(nèi)圓弧的半徑為Rin，外圓弧圓心點(diǎn)Orat向上垂直偏離直波導(dǎo)上邊界延長(zhǎng)線的距離為Ytjut，外圓弧的半徑為Rwt。
【文檔編號(hào)】H01J23/24GK103854939SQ201410011491
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年1月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月10日
【發(fā)明者】蔡軍, 馮進(jìn)軍, 鄔顯平 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所