[发明专利]一种起伏状波导慢波结构

说明书

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，涉及适合工作在太赫兹波段的行波管的慢波结构。

背景技术

太赫兹波段的研究是当前电磁学和光学领域的前沿热点。但由于缺乏合适的太赫兹功率源，使得太赫兹波段的电磁频谱开发仍是空白。真空电子器件在实现大功率太赫兹源上具有很大潜力。行波管是真空电子技术领域内最为重要的一类微波源，具有大功率、高效率、高增益、宽频带和长寿命的特点，广泛应用于雷达、制导、卫星通信、微波遥感、辐射测量等领域，其性能直接决定着装备的水平。行波管的核心部件是慢波结构。常用的慢波结构有螺旋线、耦合腔、曲折波导和矩形栅波导等。

目前在100GHz以上的太赫兹波段，曲折波导和矩形栅波导为主要研究的结构。由于工作波长越短，慢波结构尺寸越小，即尺寸共渡效应，使得这些结构在太赫兹波段工作时的高频损耗大、反射强等。还有，曲折波导的电子注通道的加工更是存在很大困难；矩形栅波导的输入输出结构很难设计。种种困难使得现有的太赫兹功率源开发成本高、周期长，离实用化还有很大距离。因此，寻找性能优良的适合工作在太赫兹波段的慢波结构，就显得特别迫切。

发明内容

为了寻找性能优良的适合工作在太赫兹波段的慢波结构，本发明提出了一种起伏状波导慢波结构。

本发明所采用的技术方案是：

一种起伏状波导慢波结构，如图1所示，由宽边尺寸为a、窄边尺寸为b的常规矩形波导变形而成；所述起伏状波导慢波结构的E面(即电场面)呈周期性波浪起伏状，所述起伏状波导慢波结构的H面(即磁场面)为平面，E面和H面的交叉轮廓线为周期性变化的波浪线；所述周期性变化的波浪线的周期长度为p，起伏高度h为矩形波导窄边尺寸b与电子注通道高度h_b的差。

上述技术方案中，所述周期性变化的波浪线为正弦曲线、余弦曲线、三角波形曲线或半圆弧形曲线。

本发明提供的起伏状波导慢波结构，也可理解为：

宽边尺寸为a、窄边尺寸为b的常规矩形波导，以常规矩形波导的轴心为中心线，沿E面1法线方向周期性上下摇摆而成；摆动时应保持横截面一致。其摆动轮廓线2(即E面和H面的交叉轮廓线)为周期性变化的正弦曲线、余弦曲线、三角波形曲线或半圆弧形曲线；摆动幅度h为矩形波导窄边尺寸b减去矩形电子注通道高度h_b；曲线周期p即为慢波结构的一个完整周期长度。

本发明的工作原理可以描述为：

带状电子注从矩形电子注通道穿过起伏状波导慢波结构，当电子注的速度与起伏状波导慢波结构中的高频纵向电场分量的某一次空间谐波的相速同步时，便发生相互作用，形成群聚的电子注，从而实现高频信号功率的放大。

本发明的有益效果是：

(1)主体结构非常简单，仅由常规矩形波导沿E面(电场面)变形而成，不再需要加工额外的电子注通道，加工难度较低。

(2)慢波结构纵向横截面均匀，该均匀性使得慢波结构中高频场的工作模式纯正，高频损耗低，反射小；同时可使慢波结构的“冷”带宽得到极大展宽，如图2所示，“冷”带宽为200GHz。

(3)输入输出装置简单。

(4)适合于利用带状电子注工作，可提高工作电流，增大输出功率。

附图说明

图1是本发明提供的起伏状波导慢波结构的结构示意图。

图2是本发明提供的起伏状波导慢波结构的色散曲线图。

具体实施方式

一种起伏状波导慢波结构，如图1所示，由宽边尺寸为a、窄边尺寸为b的常规矩形波导变形而成；所述起伏状波导慢波结构的E面(即电场面)呈周期性波浪起伏状，所述起伏状波导慢波结构的H面(即磁场面)为平面，E面和H面的交叉轮廓线为周期性变化的波浪线；所述周期性变化的波浪线的周期长度为p，起伏高度h为矩形波导窄边尺寸b与电子注通道高度h_b的差。

上述技术方案中，所述周期性变化的波浪线为正弦曲线、余弦曲线、三角波形曲线或半圆弧形曲线。

设定如下具体尺寸：常规矩形波导宽边a为770微米，窄边b为350微米，周期长度p为460微米，起伏高度h为200微米，电子注通道高度h_b为150微米；得到一个具体的起伏状慢波结构，然后利用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS 11对上述慢波结构进行计算，获得色散曲线，如图2所示。从图2中可知：起伏状波导慢波结构在上述结构尺寸参数下的“冷”带宽为200GHz，完全适合于工作在太赫兹波段的行波管。