一种矩形螺旋槽加载的新型慢波结构的制作方法

本发明涉及真空电子器件技术领域，具体涉及一种矩形螺旋槽加载的新型慢波结构。

背景技术：

太赫兹科学技术由于其在高分辨率成像、诊断系统、高数据速率通信和空间应用中的潜在应用价值，一直是最有吸引力和前景的课题之一。大功率辐射源是太赫兹科学体系中最重要的研究领域之一。真空电子器件是一类利用高能电子注与电磁波信号相互作用后将电子注动能转化为微波能量的功率放大器。因此真空电子器件可以有效地产生大功率辐射并应用于太赫兹领域。在所有的真空电子器件中，行波管以其宽频带和高功率被证明是最重要的辐射源之一。慢波结构作为行波管中实现注波互作用的核心部件，在很大程度上决定着设备的性能。传统的螺旋线和耦合腔慢波结构在兼顾功率与带宽时都遇到了严重的障碍，螺旋线结构虽然有倍频程以上的带宽，但因其散热能力差、热容量小而只能提供有限的输出功率；耦合腔行波管热容量较高，可其带宽比较窄。另一个对发展造成障碍的重要原因是尺寸。随着工作波长的减小，行波管的尺寸也越来越小。而当行波管向太赫兹方向发展时，要求螺旋线和耦合腔结构尺寸非常小，不易加工和装配，大大增加了进一步发展的难度。

为了解决太赫兹行波管发展的关键问题，设计一种在太赫兹波段易加工、散热好、宽带较宽、耦合阻抗高的新型慢波结构很有必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种矩形螺旋槽加载的新型慢波结构，该结构能在在太赫兹波段易加工、散热好、宽带较宽、耦合阻抗高。

本发明的具体技术方案为：

一种矩形螺旋槽加载的新型慢波结构，

包括沿前后方向延伸的矩形体式的带状电子注通道，还包括一个沿前后方向螺旋转折的波导，沿前后方向螺旋转折的波导具有n个周期的转折波导；

所述任意一个周期内的转折波导包括设置在带状电子注通道下侧面的下矩形波导腔、设置在带状电子注通道右侧面的右侧斜波导腔，设置在带状电子注通道上侧面的上矩形波导腔，设置在带状电子注通道左侧面的左侧斜波导腔；

其中，下矩形波导腔、右侧斜波导腔、上矩形波导腔、左侧斜波导腔依次连通，且在两个相连通的波导腔之间形成90°转折；

同一个周期内的下矩形波导腔和上矩形波导腔沿前后方向进行错位设置；右侧斜波导腔将本周期内的下矩形波导腔的右端部与本周期内的上矩形波导腔的右端部连通，左侧斜波导腔将本周期内的上矩形波导腔的左端部与下一周期内的下矩形波导腔的左端部连通；且，同一周期内的上矩形波导腔、下矩形波导腔、左侧斜波导腔、右侧斜波导腔各自面向带状电子注通道的一面分别与带状电子注通道对应的一侧连通。

本发明在普通耦合腔慢波结构的基础上，借鉴螺旋线慢波结构的几何特点，创新地提出了一种新型螺旋式开槽的矩形波导慢波结构。该结构从单个周期来看，其包括带状电子注通道，以及环绕在带状电子注通道四周的4个矩形波导(槽)，其中左侧斜波导腔、右侧斜波导腔还具有倾斜角度，同时下矩形波导腔和上矩形波导腔沿前后方向进行错位设置，使得其连续连通时形成一个螺旋前进的转折波导，并关于带状电子注通道中心旋转对称。它的中心工作频点在0.22thz，不仅具有耦合腔慢波结构的高交互阻抗特性，而且比耦合腔慢波结构的带宽更宽。还波导是无介质支撑的封闭结构。这种新型结构的显著优点是在太赫兹波段易于制造，且具有散热性强、功率大、工作电压较低等特点。

转折波导整体的外尺寸达2.04mm×0.9mm，远超太赫兹波段其他传统结构尺寸，易于加工，可采取将无氧铜作为材料，对半剖开，分别用数控车床铣出一半的转折波导及带状电子注通道，再将两部分扣合焊接即可。

在上述基础上，优选的：

右侧斜波导腔将本周期内的下矩形波导腔的右端部与本周期内的上矩形波导腔的右端部连通的方式为：右侧斜波导腔的下端面与下矩形波导腔右端部的上侧面连通，右侧斜波导腔的上端面与上矩形波导腔右端部的下侧面连通，且右侧斜波导腔的右侧面、下矩形波导腔右端面、上矩形波导腔右端面在同一平面内；

左侧斜波导腔将本周期内的上矩形波导腔的左端部与下一周期内的下矩形波导腔的左端部连通的方式为：左侧斜波导腔的下端面与下一周期内的下矩形波导腔的左端部的上侧面连通，左侧斜波导腔的上端面与本周期内的上矩形波导腔左端部的下侧面连通，且左侧斜波导腔的左侧面、下矩形波导腔左端面、矩形波导腔左端面在同一平面内。

在上述基础上，优选的：

带状电子注通道的上下方向的长度大于左右方向的长度。

在上述基础上，优选的：

带状电子注通道的上下方向的长度为1.5mm，带状电子注通道的左右方向的长度0.26mm。

在上述基础上，优选的：

同一个周期内的下矩形波导腔和上矩形波导腔沿前后方向进行错位设置距离为0.06mm。

在上述基础上，优选的：

上矩形波导腔、下矩形波导腔在上下方向的长度小于左右方向的长度。

在上述基础上，优选的：

上矩形波导腔、下矩形波导腔在上下方向的长度为0.27mm。

在上述基础上，优选的：

左侧斜波导腔、右侧斜波导腔在上下方向的长度大于左右方向的长度。

在上述基础上，优选的：

左侧斜波导腔、右侧斜波导腔左右方向的长度为0.32mm。

本发明的有益效果为：

1、本发明提出的新型慢波结构相比传统耦合腔等慢波结构更容易加工，在太赫兹频段是同频段耦合腔结构尺寸的1.75倍，且为无介质支撑的封闭结构，更易加工、装配及实现；

2、本发明提出的新型慢波结构具有比传统耦合腔慢波结构耦合阻抗更高；

3、本发明提出的慢波结构具有比传统耦合腔慢波结构具有更宽的带宽和更低的相速度。

4、由于传统螺旋线结构通过夹持杆进行散热，接触面积小，夹持杆材料为氧化铍，散热能力差，而本发明提出的新结构为全金属结构，金属本身具有良好的散热性，故全金属的新型慢波结构具有优良的散热性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明单个周期的转折波导围绕带状电子注通道的立体图。

图2为本发明的多个周期的转折波导围绕带状电子注通道的立体图。

图3为本发明的多个周期的转折波导围绕带状电子注通道所形成的槽体结构的一个立体图。

图4为本发明的多个周期的转折波导围绕带状电子注通道所形成的槽体结构的另一立体图。

图5为单个周期的转折波导围绕带状电子注通道的立体分解图。

图6为图5中单个周期的转折波导围绕带状电子注通道组合后的右视图。

图7为图5中单个周期的转折波导围绕带状电子注通道组合后的左视图。

图8为图5中单个周期的转折波导围绕带状电子注通道组合后的正视图。

图9为中单个周期的转折波导围绕带状电子注通道组合后的俯视倾斜角度视图。

图10是本发明实施例与耦合腔慢波结构的色散特性对比图。

图11是本发明实施例与耦合腔慢波结构的耦合阻抗对比图。

图12是传统耦合腔慢波结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例一

在本发明中的方位以图8为基准，从图8中可以看出，上矩形波导腔1位于上侧，下矩形波导腔3位于下侧，右侧斜波导腔4位于右侧，左侧斜波导腔5位于左侧，带状电子注通道2位于中间。面向图8的方向为前后向。

因此，本发明设计的一种矩形螺旋槽加载的新型慢波结构，具体为：

在图2中，包括沿前后方向延伸的矩形体式的带状电子注通道2，还包括一个沿前后方向螺旋转折的波导，沿前后方向螺旋转折的波导具有n个周期的转折波导；

在图1、图2、图5、图6、图7中，所述任意一个周期内的转折波导包括设置在带状电子注通道2下侧面的下矩形波导腔3、设置在带状电子注通道2右侧面的右侧斜波导腔4，设置在带状电子注通道2上侧面的上矩形波导腔1，设置在带状电子注通道2左侧面的左侧斜波导腔5；

其中，下矩形波导腔3、右侧斜波导腔4、上矩形波导腔1、左侧斜波导腔5依次连通，且在两个相连通的波导腔之间形成90°转折；

同一个周期内的下矩形波导腔3和上矩形波导腔1沿前后方向进行错位设置(如图6、图7)(从图6、图7中，可以看出，同一周期内的上矩形波导腔1在上下方向上与下矩形波导腔3并不重合，这样就使得右侧斜波导腔4和左侧斜波导腔5在连通时，同需要进行90°转折时还需要进行一定的倾斜才能连通上下波导腔，因此从图3、图4中，可以看出，其采用结构实际是个倾斜槽)；右侧斜波导腔4将本周期内的下矩形波导腔3的右端部与本周期内的上矩形波导腔1的右端部连通，左侧斜波导腔5将本周期内的上矩形波导腔1的左端部与下一周期内的下矩形波导腔3的左端部连通；且，同一周期内的上矩形波导腔1、下矩形波导腔3、左侧斜波导腔5、右侧斜波导腔4各自面向带状电子注通道2的一面分别与带状电子注通道2对应的一侧连通。

本发明在普通耦合腔慢波结构的基础上，借鉴螺旋线慢波结构的几何特点，创新地提出了一种新型螺旋式开槽的矩形波导慢波结构。该结构从单个周期来看，其包括带状电子注通道，以及环绕在带状电子注通道四周的4个矩形波导(槽)，从图3、图4中可以看出带状电子注通道实际上是一个中空部分，其中左侧斜波导腔5、右侧斜波导腔4还具有倾斜角度，同时下矩形波导腔3和上矩形波导腔1沿前后方向进行错位设置，使得其连续连通时形成一个螺旋前进的转折波导，并关于带状电子注通道中心旋转对称。本发明的工作范围为：205ghz-225ghz。它的中心工作频点在0.22thz，不仅具有耦合腔慢波结构的高交互阻抗特性，而且比耦合腔慢波结构的带宽更宽。还波导是无介质支撑的封闭结构。这种新型结构的显著优点是在太赫兹波段易于制造，且具有散热性强、功率大、工作电压较低等特点。

转折波导整体的外尺寸达2.04mm×0.9mm，远超太赫兹波段其他传统结构尺寸，易于加工，可采取将无氧铜作为材料，对半剖开，分别用数控车床铣出一半的转折波导及带状电子注通道2，再将两部分扣合焊接即可。

在上述基础上，优选的：

如图5、与6、图7、图8、图9所示，

右侧斜波导腔4将本周期内的下矩形波导腔3的右端部与本周期内的上矩形波导腔1的右端部连通的方式为：右侧斜波导腔4的下端面与下矩形波导腔3右端部的上侧面连通，右侧斜波导腔4的上端面与上矩形波导腔1右端部的下侧面连通，且右侧斜波导腔4的右侧面、下矩形波导腔3右端面、上矩形波导腔1右端面在同一平面内；

左侧斜波导腔5将本周期内的上矩形波导腔1的左端部与下一周期内的下矩形波导腔3的左端部连通的方式为：左侧斜波导腔5的下端面与下一周期内的下矩形波导腔3的左端部的上侧面连通，左侧斜波导腔5的上端面与本周期内的上矩形波导腔1左端部的下侧面连通，且左侧斜波导腔5的左侧面、下矩形波导腔3左端面、矩形波导腔1左端面在同一平面内。

在上述基础上，优选的：

带状电子注通道2的上下方向的长度大于左右方向的长度。

在上述基础上，优选的：

带状电子注通道2的上下方向的长度为1.5mm，带状电子注通道2的左右方向的长度0.26mm。

在上述基础上，优选的：

同一个周期内的下矩形波导腔3和上矩形波导腔1沿前后方向进行错位设置距离为0.06mm。

在上述基础上，优选的：

上矩形波导腔1、下矩形波导腔3在上下方向的长度小于左右方向的长度。

在上述基础上，优选的：

上矩形波导腔1、下矩形波导腔3在上下方向的长度为0.27mm。

在上述基础上，优选的：

左侧斜波导腔5、右侧斜波导腔4在上下方向的长度大于左右方向的长度。

在上述基础上，优选的：

左侧斜波导腔5、右侧斜波导腔4左右方向的长度为0.32mm。

利用hfss仿真软件对上述实施例进行仿真，得到其色散特性和耦合阻抗，并与传统耦合腔慢波结构(如图12所示)的结果进行比较，结果如图10和图11所示。由图11可知，本发明慢波结构具有比耦合腔慢波结构更宽的带宽和更低的相速度，因此有更低的工作电压；由图12可知，本发明慢波结构具有比耦合腔慢波结构更高的耦合阻抗，可预见新型螺旋槽矩形波导慢波结构有更好的注波互作用和更高的输出功率。

在有些现有技术中，使用了圆形电子注通道，而对圆形电子注通道的研究表明，由于受结构尺寸与频率共渡效应的限制，在研制更高频段乃至太赫兹频段的这类器件会遇到难以克服的技术困难。由于电子注截面面积有限，注波互作用的能量转换效率受到很大的限制所以这类器件输出功率往往不高。

本发明采用带状电子注通道的提出，打破了传统结构思想上的束缚，带状电子注器件相对于传统圆形电子注器件具有明显的性能优势和潜在应用价值。带状电子注器件可以在较小的空间电荷力的情况下大幅度增加工作电流，这样就能显著增加器件的功率容量，从而获得很高的输出功率。由于空间电荷力小，使得电子注可以在很小的注通道里通过，还允许其更加贴近慢波电路，所以带状电子注器件更适合于工作在高频段，而且具有较高的增益。一般的带状注慢波系统具有比较简单的结构，有些还是二维结构，非常有利于现代微加工技术的实施，装配也比较简单，这对于在毫米波和太赫兹波频段工作的器件来说是非常重要的。

由于本发明采用的是矩形波导进行90度转角实现螺旋形态，整个螺旋结构形态都是绕带状电子注通道2进行，且每次转角时仅以1个直角存在，因此无需复杂的加工过程，就能实现散热性、较宽宽带、耦合阻抗高的改善，且能减少直角加工时的导圆角存在的问题。而有些器件的布局是将电子柱通道2设置成圆柱形态，且贯穿于波导，这种结构使得其需要具有大量直角边缘的直角弯波导作为过渡部分才能适配出良好参数性能的结构，而这种结构由于具有大量的直角边缘，会在非常不利于加工，即使加工出来的产品与模拟预测的值之间都会形成较大差异；实用性较差。本发明属于新型慢波结构，其带状电子注通道中的电子注和围绕在带状注通道四周的波导腔中的电磁波可以充分进行注波互作用，从而实现更高增益和更大的输出功率。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。