一种弧形弯曲边界折叠波导慢波结构的制作方法
【专利摘要】一种弧形弯曲波导边界折叠波导慢波结构属于微波真空电子【技术领域】，涉及微波真空电子器件。新型折叠波导慢波结构为一系列直波导和弧形边界弯曲波导的周期结构，弯曲波导内边界Cin和/或外边界Cout为非半圆弧，利用调整圆弧圆心(Oin和/或Oout)的位置(Yin和/或Yout)和半径尺寸(Rin和/或Rout)来增大弯曲波导的宽度，以增强直波导间隙的电子注方向电磁场。本发明在没有增加工艺复杂度和精度的条件下提高了耦合阻抗，适用于短毫米波及太赫兹器件增益和效率的提高。
【专利说明】一种弧形弯曲边界折叠波导慢波结构
【技术领域】
[0001]本发明属于微波真空电子器件领域，具体涉及到一种弧形弯曲边界折叠波导慢波结构。
【背景技术】
[0002]慢波结构主要应用于行波型微波真空电子器件(也可作为谐振腔用于扩展互作用型驻波器件)，作用是降低在其中传输电磁波的相速度，使之与电子注保持同步，以获得注波之间有效的互作用，属于微波真空电子器件的核心部分。
[0003]随着频率提高到短毫米波段(40GHz-300GHz)甚至太赫兹(300GHz-3000GHz)范围时，最常用的慢波结构由于加工、散热等技术难题在使用时受到很大的限制，因此，新型慢波结构的探索工作得到了广泛的重视。根据目前国外太赫兹真空电子器件的研制情况，折叠波导已经成为最常用的一种慢波结构。如图1所示，折叠波导慢波结构是将矩形波导沿电场面弯曲，组成一系列直波导和半圆弯曲波导(波导弯曲的内外边界均为半圆)的周期结构，圆柱型电子注通道(若带状注时，截面为矩形)位于折叠波导慢波结构的中轴线上，其中a表示折叠波导中矩形波导那一部分的宽边长，b为该部分的窄边长，几何周期为2p，直波导高度为h，电子注通道半径为rc。图2为单个几何周期折叠波导慢波结构的剖面图，图中没有显示慢波结构中的电子注通道。
[0004]这种弯曲边界呈半圆形的折叠波导慢波结构的最大缺点是耦合阻抗较低。根据皮尔斯小信号理论和微波管大信号理论，耦合阻抗值偏低会降低器件的增益、功率及效率等技术指标。为了提高折叠波导慢波结构的耦合阻抗，国内外学者提出了多种新型折叠波导慢波结构，思路是在折叠波导的几何形状、结构上，在金属区域通过额外加载真空的几何结构。基本原理是通过脊(直波导附加结构)或槽(弯曲波导附加结构)的加载，增强直波导的波导间隙中电子注方向的电磁场。随着频率提高时器件特征尺寸的不断减小，一旦进入到短毫米波及太赫兹，金属区域为这些附加结构预留的空间很小，考虑到工艺可行和结构强度要求，很难在金属区加脊或开槽；即使得到应用，在加工精度、工艺复杂性和结构强度等方面存在瓶颈，无法发挥出预计的效果。
[0005]在当前的新型折叠波导慢波结构中，在保持结构强度和工艺可行的前提下，不再通过附加额外的结构，而是通过在原有的形状、结构上进行优化调整，实现耦合阻抗的提高。利用改变弯曲波导的边界形状、结构，使得波导弯曲在电磁场传输的横向尺寸加大，直波导的尺寸不变。相对弯曲波导直波导尺寸的减小会增强直波导的波导间隙中电子注方向的电磁场，促进电磁场和电子注之间的能量交换，从而使电磁场能够得到更有效的放大。针对短毫米波及太赫兹折叠波导慢波结构小尺寸的特点，本申请研发了这种创新边界形状的慢波结构。
【发明内容】
[0006]本发明需要解决的技术问题是，针对传统常用的半圆形弯曲边界折叠波导慢波结构，不仅耦合阻抗低，而且零部件加工难度及工艺复杂度都将随应用频率的提高而增加，为了克服这些困难，就需要研发一种新型的折叠波导慢波结构，在不增加工艺难度和复杂性的前提下，能以获得高的慢波结构耦合阻抗，改善以这类慢波结构为核心的短毫米波及太赫兹真空电子器件性能，本发明提出了一种弧形弯曲边界折叠波导慢波结构。
[0007]本发明的目的是提供一种弧形弯曲边界折叠波导慢波结构，为了实现本发明目的，所采用的技术方案如下:
[0008]一种弧形弯曲边界折叠波导慢波结构，包括形成一系列周期结构的直波导段和弧形弯曲波导段，其特征在于，在折叠波导中，其弧形弯曲波导段部分的内外边界不再是半圆弧形状，已由传统的半圆弧形状变为非半圆弧形状，弯曲波导内弧边界Cin和外弧边界Cwt的几何形状独立或组合变化后使得弯曲波导段部分的宽度增加；所述弯曲波导内边界Cin和外边界Crat变为非半圆弧，变化的趋势是使弯曲波导部分的宽度变大以及内部间隙的电磁场增加；结构进行优化调整时，内边界从半圆弧向小于半圆弧的劣弧转变，外边界从半圆弧向大于半圆弧的优弧转变，内外圆弧的起止点均与对应的直波导段边壁起止点重合，内圆弧圆心点Oin向下垂直偏离直波导上边界延长线的距离为Yin，内圆弧的半径为Rin，外圆弧圆心点Orat向上垂直偏离直波导上边界延长线的距离为Ytjut，外圆弧的半径为Rwt。
[0009]使弯曲波导的宽度变大的方式有内外弧单独变化、共同变化等多种方式，在此任意选择一种内边界变为劣弧、外边界同时变为优弧组合的例子，设定结构尺寸(单位:mm)a=l.9，b=0.3,p=0.7，h=0.7,rc=0.22, Yin=Yout=0.1。利用三维电磁软件对本发明的一种弧形弯曲边界折叠波导慢波结构进行模拟，计算得到色散曲线和轴线耦合阻抗，并与相同几何尺寸的折叠波导慢波结构的冷特性参数进行对比，慢波结构的色散曲线和轴线耦合阻抗模拟结果已分别在附图中表示。
[0010]本发明的有益效果是，在没有增加工艺复杂度和精度的条件下提高了耦合阻抗，适用于短毫米波及太赫兹器件增益和效率的提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为折叠波导慢波结构的立体示意图；
[0012]图2为单个几何周期折叠波导慢波结构的剖面图；
[0013]图3为本发明弧形弯曲边界折叠波导慢波结构立体示意图；
[0014]图4为本发明的单个几何周期剖面图；
[0015]图5为本发明折叠波导慢波结构和传统折叠波导慢波结构色散特性比较；
[0016]图6为本发明折叠波导慢波结构和传统折叠波导慢波结构的轴线耦合阻抗比较图。
【具体实施方式】
[0017]参照图1、图2，表示折叠波导慢波结构的立体示意图及单个几何周期示意图，图中a表示折叠波导中直波导段宽边长度，b表示折叠波导中直波导段窄边长度，h表示折叠波导中直波导段高度，几何周期为2p，电子注通道半径为r。，图2中内圆弧半径为rin，外圆弧半径为r_圆心点为0，线段距离为Yin和Υ_参考图5和图6表示模拟计算的曲线，SP处在短毫米波段与太赫兹波段交叉区域的3mm波段，弧形弯曲边界折叠波导慢波结构具体方案的结构尺寸如下(单位:mm):a=l.9，b=0.3, p=0.7，h=0.7, rc=0.22, Yin=Yout=0.1。利用三维电磁软件对本发明的一种弧形弯曲边界折叠波导慢波结构进行模拟，计算得到色散曲线和轴线耦合阻抗，并与相同几何尺寸的折叠波导慢波结构的冷特性参数进行对比，慢波结构的色散曲线和轴线耦合阻抗冷特性模拟结果如图5和图6所示。
[0018]图5的结果显示，对比折叠波导慢波结构，弧形弯曲波导边界折叠波导慢波结构相光速比总体有所降低，在频率低端影响不大，在频率高端降低程度加大，较低的相光速比对应较低的工作电压，在设计中有利于实现器件的小型化。另外对更宽频率范围的色散分析显示，新型慢波结构的第一止带宽度从3GHz提高到14GHz，对比折叠波导慢波结构更容易实现无带边振荡的设计。
[0019]图6的结果显示，对比折叠波导慢波结构，弧形弯曲波导边界折叠波导慢波结构耦合阻抗整体提高，在频率低端提高30%，在中心频率提高50%，在频率高端成倍增加甚至更多，说明以新型慢波结构为核心的微波电真空器件能够实现更高的增益和更大的功率。
【权利要求】
1.一种弧形弯曲边界折叠波导慢波结构，包括形成一系列周期结构的直波导段和弧形弯曲波导段，其特征在于，在折叠波导中，其弧形弯曲波导段部分的内外边界不再是半圆弧形状，已由传统的半圆弧形状变为非半圆弧形状，弯曲波导内弧边界Cin和外弧边界Cwt的几何形状独立或组合变化后使得弯曲波导段部分的宽度增加，结构进行优化调整时，内边界从半圆弧向小于半圆弧的劣弧转变，外边界从半圆弧向大于半圆弧的优弧转变，利用调整圆弧圆心位置和半径尺寸的办法来增加弯曲波导的宽度，增强直波导段间隙电磁场，从而增加折叠波导慢波结构的耦合阻抗，提高真空器件性能。
2.根据权利要求1所述的弧形弯曲边界折叠波导慢波结构，其特征在于，内外圆弧的起止点均与对应的直波导段边壁起止点重合，内圆弧圆心点Oin向下垂直偏离直波导上边界延长线的距离为Yin，内圆弧的半径为Rin，外圆弧圆心点Orat向上垂直偏离直波导上边界延长线的距离为Ytjut，外圆弧的半径为Rwt。
【文档编号】H01J23/24GK103854939SQ201410011491
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】蔡军, 冯进军, 邬显平 申请人:中国电子科技集团公司第十二研究所