一种圆顶梯形交错双栅慢波结构的制作方法

本发明涉及电真空器件技术领域，尤其涉及一种圆顶梯形交错双栅慢波结构。

背景技术：

电真空器件是一种将电子动能转化为电磁波能量的器件。慢波结构是其主要的换能结构，在慢波结构中，电子束与电磁波相互作用，使电磁波信号得到放大。

慢波结构多种多样，常见的有折叠波导结构、正弦波导结构、矩形交错双栅结构等，在这几种慢波结构中，折叠波导慢波结构的工作带宽相对较宽，但其电子注通道的加工难度较大，在太赫兹频段的传输损耗大、加工较为困难；矩形交错双栅波导慢波结构具有很宽的工作带宽并且易于加工，但它存在较强的反射和较大的传输损耗；而正弦波导慢波结构则结合了折叠波导慢波结构与矩形交错双栅波导两种慢波结构的特点，具有反射小、传输损耗低且易于加工的优势，被认为是一种很有潜力的太赫兹慢波结构。

在《正弦波导高频特性分析》(《物理学报》2014年，63卷，4号，044101-1，044101-11页，作者:谢文球、王自成等)一文中，公开了一种如图1、图2所示的正弦波导慢波结构。然而，这种慢波结构在电磁波传输方向上的电场强度相对较弱，因而其耦合阻抗较小，从而导致其所应用的行波管具有输出功率较小、互作用效率较小、增益较低和饱和互作用长度较长等缺陷。

技术实现要素：

综上所述，本发明所解决的技术问题为：提供一种圆顶梯形交错双栅慢波结构，与传统的正弦波导慢波结构相比，可有效解决传统的正弦波导慢波结构所存在的横向电场较弱、耦合阻抗低等问题，并提高和改善其色散性能。

而本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种圆顶梯形交错双栅慢波结构，包括有分置于上下两侧的上栅部和下栅部，所述上栅部和下栅部均设置有沿横向延伸且顺着横向周期性上下起伏的起伏部，上下两侧的起伏部错开半个起伏周期相对排布，上下两侧起伏部的宽均为a，而上下两侧起伏部对应位置之间的间距均为b，上侧起伏部的最低端高于下侧起伏部的最高端，且高度差为hb，从而在两者间构成高度为hb、宽度为a的带状电子注通道，所述起伏部主要由若干个梯形部、圆槽部以及圆顶部所构成，若干个所述梯形部沿横向依次间隔排列，而在横向上相邻两个梯形部之间通过圆槽部过渡；在平行于横向方向的纵向截面上，所述梯形部呈其高沿纵向延伸的等腰梯形，所述等腰梯形的上底长为c，下底长为d，高为h，上下两侧等腰梯形的上底均设置于其靠近带状电子注通道的一侧，所述圆顶部连接在该等腰梯形的上底上，所述圆顶部呈半径为r的半圆状，且其圆心位于该等腰梯形的上底中点处，而圆槽部则呈半径同为r的半圆状，在横向上相邻的两个梯形部的下底通过两者之间的圆槽部的内边相连接，并相对于圆槽部的圆心相对称。

进一步的，0＜2hb≤b。

进一步的，c≤2r≤hb。

进一步的，2r＝c。

进一步的，a＝0.77mm，b＝0.57mm，hb＝0.14mm，c＝0.1mm，d＝0.36mm，h＝0.33mm，而r＝0.05mm。

进一步的，所述起伏部采用铣削的方式加工成型。

本发明还提供了一种行波管，包括如上所述的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构。

综上所述，经测试，由于采用了上述技术方案，本发明所提供的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构，具有更高的耦合阻抗值，同时色散特性得到了改善，这样克服了传统正弦波导慢波结构中的耦合阻抗提高，而色散特性降低的缺陷，这意味着电子注与电磁波的互作用能力增加，特别适合应用于行波管，可有效提高其输出功率、增益和互作用效率。且相较于传统的正弦波导慢波结构，本发明有效保障了慢波结构的加工精度，更加适应于微铣削的加工方式。

附图说明

图1为传统的正弦波导慢波结构示意图；

图2为传统的正弦波导慢波结构入口侧示意图；

图3为本发明所提供的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构结构示意图；

图4为本发明所提供的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构入口侧示意图；

图5为对比例和本发明所提供的实施例的色散特性对比示意图；

图6为对比例和本发明所提供的实施例的耦合阻抗对比示意图。

【具体符号说明】

1-起伏部，2-梯形部，3-圆顶部，4-圆槽部，5-带状电子注通道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所提供的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构作详细介绍。

对比例：

如图1和图2所示，作为对比例的传统的正弦波导慢波结构，其上下两侧起伏部的起伏轮廓呈正弦状，且两者沿横向错开0.23mm并相对设置，上下两侧起伏部的宽度为0.77mm，而起伏周期为0.46mm，上侧起伏部的最低端高于下侧起伏部的最高端，且两者之间的高度差为0.14mm，从而在两者之间形成高度为0.14mm、宽度为0.77mm的带状电子注通道，上下两侧起伏部对应位置之间的间距均为0.57mm，而其起伏部的起伏高度，即槽深为0.43mm。

实施例：

如图3和图4所示，本实施例1所提供的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构，包括有分置于上下两侧的上栅部和下栅部，所述上栅部和下栅部均设置有沿横向延伸且顺着横向周期性上下起伏的起伏部1，上下两侧的起伏部1错开半个起伏周期相对排布，上下两侧起伏部1的宽均为a，而上下两侧起伏部1对应位置之间的间距均为b，上侧起伏部1的最低端高于下侧起伏部1的最高端，且高度差为hb，从而在两者间构成高度为hb、宽度为a的带状电子注通道5，所述起伏部1主要由若干个梯形部2、圆槽部4以及圆顶部3所构成，若干个所述梯形部2沿横向依次间隔排列，而在横向上相邻两个梯形部2之间通过圆槽部4过渡；在平行于横向方向的纵向截面上，所述梯形部2呈其高沿纵向延伸的等腰梯形，所述等腰梯形的上底长为c，下底长为d，高为h，上下两侧等腰梯形的上底均设置于其靠近带状电子注通道5的一侧，所述圆顶部3连接在该等腰梯形的上底上，所述圆顶部3呈半径为r的半圆状，且其圆心位于该等腰梯形的上底中点处，而圆槽部4则呈半径同为r的半圆状，在横向上相邻的两个梯形部2的下底通过两者之间的圆槽部4的内边相连接，并相对于圆槽部4的圆心相对称。

其中，由于上下两侧起伏部1对应位置之间的间距均为b，即波导窄边长度为b，从而使两侧起伏部1之间的横截面面积随着起伏而始终保持一致。同时，带状电子注通道5的通道高度hb可在0＜2hb≤b的范围中根据实际需求而具体选用，以适应不同电子束。其中，起伏部1的起伏是相对于其所在栅部而言的，而上下两侧起伏部1的宽均为a，即波导宽边长度为a。

此外，r可在a1/2至hb/2的范围内具体调整，使得传输模式下的电场更加集中于圆顶部，增强了横向电场强度分量，即增强了与电子束的互作用电场分量值，由此增强了色散耦合强度。最为优选的，r＝c/2。更为具体的，在本实施例1中，a＝0.77mm，b＝0.57mm，hb＝0.14mm，c＝0.1mm，d＝0.36mm，h＝0.33mm，而r＝0.05mm，其起伏周期即为d+2r＝0.46mm。

在确定实施例和对比例后，利用三维电磁仿真软件hfss分别对实施例和对比例进行仿真计算，在一定本征频率值内，获得实施例1和对比例各自单周期的色散特性、耦合阻抗曲线，所得出的仿真计算结果如图5和图6所示。

其中，在图5当中，其横坐标为本征频率值，纵坐标为归一化相速值，曲线1为本实施例的色散特性曲线，而曲线2为对比例的色散特性曲线。由此仿真结果我们可以得出，本实施例所提供的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构相较于传统的正弦波导慢波结构，其归一化相速相对较高且平坦，色散特性有所改善。

进一步的，在图6当中，其横坐标为本征频率值，纵坐标为耦合阻抗值，曲线3为本实施例的耦合阻抗曲线，而曲线4为对比例的耦合阻抗曲线，也就是说，本实施例所提供的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构，相较于传统的正弦波导慢波结构，在全频带内，具有更高的耦合阻抗值。

综上所述，本实施例1所提供的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构，在耦合阻抗增大的同时，其色散曲线更为平坦，从而解决了传统的正弦波导慢波结构中耦合阻抗提高时，其色散特性降低的缺陷，更有利于高频场与电子束在较宽的频带范围内实现相速同步，增加互作用带宽，这意味着电子注与电磁波的互作用能力增加，从而进一步提高了其所应用的行波管的输出功率、增益和互作用效率。

此外，相较于传统正弦波导慢波结构，本实施例所提供的圆顶梯形交错双栅慢波结构不存在正弦曲线加工面或其他微小岛状结构，更利于三维状态下的加工，从而保障了铣削加工时的精度，所以在本实施例中，所述起伏部采用铣削的方式加工成型。

此外，本发明还提供一种了行波管，包括有如实施例1所述的一种圆顶梯形交错双栅慢波结构，其输出功率、增益和互作用效率相较于传统的行波管均有所改善。