[发明专利]一种适用于矩形交错双栅慢波结构的能量耦合器件

说明书

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，特别涉及矩形交错栅行波管中的输入输出结构。

背景技术

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、耦合腔和曲折波导等，工作在亚毫米波及太赫兹波段的这些结构输出功率有限，结构加工非常困难。

为了适应实际应用的需要，工作在毫米波、亚毫米波的波行波管已经成为研究的热点。具有结构简单、易加工等特点的矩形交错栅行波管被发现具有衰减小，耦合阻抗高，线性度好，反射小等良好的的工作特性而被广泛关注。

Young-Min Shin等于2007年提出了一种矩形交错双栅慢波结构(如图1所示为它的纵向半剖面示意图)，是栅型行波管中非常有潜力的慢波结构。它由两排相向的周期排列的栅结构沿中心轴上下对称分布，然后再沿纵向相对位移半个周期形成交错双栅，上下栅之间有一定厚度的电子注通道。矩形交错双栅慢波结构的上下排栅高度为H，宽度为w，厚度为a，栅与栅之间的凹陷部分长为b，栅的周期为a+b，上下排栅之间的电子注通道宽为2r。这种结构也可以描述成在一个矩形波导的两个宽边内壁交错地加载尺寸相同的矩形栅，形成矩形交错双栅，同时保证栅的高度的两倍小于波导窄边的长度，以保证上下排栅之间有足够厚度的电子注通道。

关于矩形交错双栅慢波结构是目前研究的一个热点问题，它可以覆盖很宽的带宽，其输入输出结构即能量耦合装置的性能会极大地影响基于这种结构的行波管的性能，设计不好会引起严重的信号反射，即使再好的慢波结构也不能体现这种行波管的优点。在毫米波及太赫兹波段它已经成了一个制约行波管发展的瓶颈。Young-Min Shin等在提出矩形交错双栅慢波结构随后设计了配套的输入输出装置(其平面图如图2所示)，但这种输入输出装置的性能不佳，严重限制了工作带宽，且很多频点基本不能工作，用CST MWS 2009仿真，得出其驻波比如图3所示，表明这种结构不能满足实用化的要求。

发明内容

为了实现将微波信号能量很好地耦合进矩形交错双栅慢波结构，同时将被放大了的微波信号能量很好地从矩形交错双栅慢波结构中提取出来，本发明提出了一种适用于矩形交错双栅慢波结构的能量耦合器件。

本发明所采用的技术方案是：

一种适用于矩形交错双栅慢波结构的能量耦合器件，其纵向半剖面结构如图4所示，对应的二维平面图如图5所示，由与矩形波导的连接端过渡到与矩形交错双栅慢波结构相连接的另一端。其中与矩形波导连接的部分为一段宽边长度为w、窄边长度为k的矩形波导；与矩形交错双栅慢波结构连接的部分由上下两排彼此交错分布、高度逐渐变化的矩形栅导波结构构成。定义宽边长度为w、窄边长度为k的矩形波导上电场面(上波导宽面)所在平面为上基准面1，定义宽边长度为w、窄边长度为k的矩形波导下电场面(下波导宽面)所在平面为下基准面2。在所述上下两排彼此交错分布、高度逐渐变化的矩形栅导波结构中：所有上排矩形栅一半高度的位置处于上基准面1内；所有下排矩形栅一半高度的位置处于下基准面2内；上下两排矩形栅从与矩形交错双栅慢波结构相连接的端口起计，矩形栅的高度逐渐减小至零；矩形栅的最大高度不超过矩形交错双栅慢波结构的矩形栅高度。

本发明的工作原理可以描述为：

采用两个本发明提供的能量耦合器件与矩形交错双栅慢波结构的输入、输出端分别相连，构成矩形栅行波管的高频通道。能量耦合器件的作用是为了实现标准矩形波导与矩形交错双栅慢波结构之间的微波阻抗匹配，从而实现微波信号能量无反射地从标准矩形波导馈入矩形交错双栅慢波结构，所馈入的微波信号与矩形交错双栅慢波结构中的自由电子束发生相互作用，实现微波信号功率的放大，放大后的微波信号再经由与矩形交错双栅慢波结构输出端相连的能量耦合器件无反射地输出到标准矩形波导。

本发明的有益效果是：

(1)在工作频带内，将两个能量耦合器件连接到矩形交错双栅慢波结构的首输入、输出端，组成带有能量耦合装置的慢波系统，仿真得到其驻波比小于1.1，如图6所示，成功实现了微波信号能量很好地耦合进矩形交错双栅慢波结构和提取出矩形交错双栅慢波结构。

(2)该能量耦合装置，具有工作模式纯、结构简单易加工，仅设计少量的渐变栅就实现了能量的良好耦合，且易与现有的标准的通用过渡导波装置连接等特点，避免了导致多模工作的可能。