[发明专利]适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构

说明书

本发明公开了一种适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构构，包括圆形波导，在圆形波导内周期性设置若干开口环结构。其中，开口环结构包括第一开口环、第二开口环以及一对半圆环；第一开口环同心嵌套设置在第二开口环内，且开口方向在径向反方向上；一对半圆环对称嵌入第一开口环和第二开口环之间，第一开口环、半圆环以及第二开口环在径向上相互间隔；第一开口环的开口处分别通过第一金属条与外侧的两个半圆环相连接，第二开口环的开口处分别通过第二金属条与内侧的两个半圆环相连接。超材料全金属慢波结构的各开口环结构的中心通孔形成圆形电子注通道，其结构具有结构简单、全金属、小型化、天然电子注通道、易加工、耦合阻抗高优点。

技术领域

本发明涉及微波电真空技术领域，尤其涉及一种适用于行波管放大器的多电子注全金属慢波结构。

背景技术

近年来，利用无线通信技术进行数据传输的速率和容量正以指数级增长，积极开拓高频段频谱资源成为一种极具吸引力的通信升级方案。毫米波(30~300GHz)无线通信既能提供足够宽的带宽以满足日益增长的数据容量和速率的需求，又能作为光纤的补充为用户提供廉价的数据接入，越来越引起制造商和运营商的兴趣。无线通信系统为保证传输距离及通信容量，需要输出功率为数十瓦至几百瓦的功率放大器。然而，在60GHz以上高频段的大气衰减，固态器件的低传输功率限制了信号在所需区域范围内的传播。当前应用于Q、V和E波段的固态功率放大器件（SSPA）只能允许窄波束点对点基站通信，而采用毫米波网络是一个分布式数据网，未来应用于用户的固定连接和小型蜂窝移动网络在1km半径范围内需要的通信容量大约是10Gbps/km²，需要宏基站的饱和发射功率在40W以上。在毫米波乃至太赫兹频段，具有大功率、高效率和高增益的真空电子器件相比于固态器件具有绝对的优势，是目前唯一能够在E波段以上频段提供较大输出功率的器件，在未来无线通信系统高阶调制模式下线性度、高峰均比、频谱效率和信道带宽的需求中扮演着重要的角色。

在众多真空电子器件中，行波管以其宽频带、高增益和大功率等优点被广泛应用于雷达、电子对抗、卫星通信等军用和民用领域，是应用最为广泛的一种器件。W波段（75~110GHz）介于微波与太赫兹波之间，而94GHz附近频段是“大气窗口”，具有衰减小、穿透性强、抗干扰强和高分辨率的特性。因此，W波段行波管是毫米波无线通信系统中高性能和实用化功率源的较好选择。为满足高速、大容量远程通信的需求，毫米波行波管需具有大功率、高效率、小型化、集成化和线性化等优点。

慢波结构作为电子注与高频场进行相互作用的场所，影响着电子注与电磁波能量交换的效果，直接决定着器件的整体性能。因此，慢波结构始终是制约毫米波行波管发展的技术瓶颈，是真空电子学研究的热点和难点。目前国内外基于毫米波行波管的研究主要集中在曲折波导、正弦波导和波纹波导等慢波结构。总体来看，这类慢波结构在84~105GHz频段内的耦合阻抗大小为1.2~4.8Ω的水平，因此输出功率和电子效率相对较低，不利于未来无线通信系统高阶调制模式下线性度、高峰均比、频谱效率等性能的实现。因此设计出一种结构简单、散热性能优良、小型化、耦合阻抗高的新型慢波结构对于发展大功率、高效率新型的微波功率源有着重要的现实意义和应用价值。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，解决现有结构存在结构复杂、不易加工、不利于散热、功率容量小、工作电压高以及耦合阻抗低的问题。

技术方案：适用于毫米波无线通信功率源的超材料全金属慢波结构，包括圆形波导，在所述圆形波导内周期性设置若干开口环结构；其中，所述开口环结构包括第一开口环、第二开口环以及一对半圆环；第一开口环同心嵌套设置在第二开口环内，且开口方向在径向反方向上；一对半圆环对称嵌入所述第一开口环和第二开口环之间，所述第一开口环、半圆环以及第二开口环在径向上相互间隔；所述第一开口环的开口处分别通过第一金属条与外侧的两个所述半圆环相连接，所述第二开口环的开口处分别通过第二金属条与内侧的两个所述半圆环相连接；所述超材料全金属慢波结构的各开口环结构的中心通孔形成圆形电子注通道。