[发明专利]一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路

说明书

本发明公开了一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路，包括折叠波导和电子通道，折叠波导为矩形波导沿电场面往轴向方向周期性弯曲成S型而形成的，且在垂直于轴向方向增长了一小段直波导h₁，相应的折叠波导的外圆弧的圆心向外移动δ₁的距离，内圆弧的圆心向内移动δ₂的距离，即内、外圆弧的圆心不在同一坐标点，内、外圆弧之间不再同心，其中，h₁＝δ₁+δ₂。电子通道设置于折叠波导的中轴对称线位置，且与折叠波导在轴向方向形成交叉。本发明可应用于太赫兹行波管的高频电路中，将能够提高太赫兹行波管的注波互作用效率，并提高整管输出功率，为大功率太赫兹行波管在太赫兹系统中的应用奠定坚实的器件基础。

技术领域

本发明属于微波真空电子器件技术领域，尤其涉及一种太赫兹行波管放大器的慢波电路。

背景技术

太赫兹行波管因其工作频带宽和大功率输出的特点，在高分辨率太赫兹雷达、远距离高速通信和空间探测等太赫兹技术应用领域显示了巨大的潜力，并获得了中外研究学者的广泛关注。

行波管中的慢波电路是行波管注-波互作用的关键核心部件，其性能设计的好坏直接影响到行波管的输出指标。当频率工作到太赫兹频段时，行波管的互作用电路尺寸就会变得很小。传统圆型电子注的螺旋线行波管和耦合腔行波管在各自的研制过程中均遭遇了很多瓶颈和障碍。螺旋线行波管在微小尺寸参数条件下存在着功率输出和散热能力不足的问题，传统的耦合腔行波管虽然可以获得高功率输出，但带宽却比较小。

折叠波导慢波电路属于全金属结构，色散比较平坦，具有高功率容量和工作带宽较宽的特点；结构加工和装配相对简单，可以与微细加工技术紧密结合，来制作慢波结构，因此折叠波导行波管一种非常有潜力的，能够工作在太赫兹频段的小型化、大功率辐射源。

折叠波导慢波电路模型如图1所示，是由矩形波导沿电场面(矩形波导的宽边)往轴向方向周期性弯曲成S型而形成的；再在沿慢波结构的中轴对称线的位置开有圆形通孔。圆形通孔与S型周期弯曲波导在轴线方向形成交叉，圆形通孔作为电子通道传输电子能量，S型周期弯曲波导传输太赫兹波信号，这样太赫兹波信号就在折叠波导内与电子发生能量交换，获得信号的放大。

但是，由于折叠波导慢波电路属于基波为返向波的系统，如果用于行波放大，需要工作在负一次空间谐波上，因此这类慢波结构的耦合阻抗较低。根据行波管小信号理论，行波管的增益G与增益参量C³成正比；行波管的增益参量公式有：其中K_c为耦合阻抗。因此，耦合阻抗作为表征慢波电路与电子注互作用的参量，与行波管的输出增益与效率有很大的关系。根据目前已知的国内外研制出的太赫兹折叠波导行波管的实验结果，由于折叠波导慢波电路的耦合阻抗较低，导致太赫兹行波管的输出功率和互作用效率较低，这也限制了太赫兹技术的实际应用。

发明内容

为了解决上述问题，提高折叠波导慢波电路的耦合阻抗，从而提高行波管的输出功率和互作用效率，本发明提出一种内外圆弧不同心的变形太赫兹折叠波导慢波电路，具体的，包括折叠波导和电子通道，所述折叠波导为矩形波导沿电场面往轴向方向周期性弯曲成S型而形成的，且在垂直于轴向方向增长了一小段直波导h₁，相应的所述折叠波导的外圆弧的圆心向外移动δ₁的距离，内圆弧的圆心向内移动δ₂的距离，其中h₁＝δ₁+δ₂，即内、外圆弧的圆心不在同一坐标点，内、外圆弧之间不再同心。这样折叠波导的腔体在横向增大，腔体内的电磁场强度增加，这种变形结构使得耦合阻抗参数获得大幅度的提升。

所述电子通道设置于折叠波导的中轴对称线位置，且与折叠波导在轴向方向形成交叉，使得电子与太赫兹波发生互作用，使得太赫兹波信号获得放大。

进一步的，设所述折叠波导的直波导窄边长度为b，直波导之间的间距为2r_c，则