一种类梯形交错双栅慢波结构

本发明属于真空电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于毫米波、太赫兹波段真空电子器件的类梯形交错双栅慢波结构。

背景技术：

太赫兹波是频率介于微波和红外波段之间的电磁波，其在宽带通信、电磁干扰、公共安全检测、天文观测、高速数据传输、高精度无损探测、等离子体诊断、生物医学成像以及多个基础学科有着广泛的应用。真空电子器件是能够实现大功率太赫兹波辐射源的一种很有潜力的器件。真空电子技术作为一种重要的技术手段被用于开发这些波段的大功率电磁辐射源。行波管是其中广泛应用的一种大功率辐射源。慢波结构主要应用于微波电真空器件，作用是为了降低电磁波的相速，使之与电子注保持同步，以充分的进行注波互作用，它作为微波电真空器件的核心部分，直接决定了管子的整体性能。

目前，在太赫兹波段行波管中主要研究的慢波结构主要有折叠波导、矩形交错双栅、耦合腔、正弦波导等结构。

图1是现有折叠波导慢波结构的结构示意图。

现有折叠波导慢波结构如图1所示，a为波导宽边长度，b为波导窄边长度，h为直波导高度，p为周期长度，r为电子注通道半径，g为金属栅宽度。

由于在太赫兹波段的工作波长很短、慢波结构的结构尺寸较小，因此加工难度大、加工精度低，使得高频系统的反射大、损耗大。在短毫米及太赫兹波段，现有折叠波导轴向耦合阻抗降低，意味着注波互作用效率不高，在一定程度上影响了行波管功率、增益效率等性能的提升。因此研制出因此研制出新的耦合阻抗更高、高频损耗低、易加工的慢波结构就具有及其重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种类梯形交错双栅慢波结构，以提高其耦合阻抗，改善色散特性，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。

为实现上述发明目的，本发明类梯形交错双栅慢波结构，包括矩形金属管，其宽边为a；

其特征在于，还包括类梯形交错双栅；

所述类梯形交错双栅包括上排间隔p沿纵向(传输方向)倒放在矩形金属管上壁的多个类梯形栅(构成上排类梯形栅)以及下排间隔p沿纵向(传输方向)正放在矩形金属管下壁的多个类梯形栅(构成下排类梯形栅)，上下排类梯形栅的类梯形栅呈周期性交错排列；

所述类梯形栅为沿宽边放置的柱状结构，长度为a，横截面为下方为等腰梯形，上方为矩形，其中，梯形高度为h1，梯形斜边(腰)与水平方向的夹角为theta，梯形的上底边宽度为g，矩形高度为h2，上下边的宽度(厚度)为g；类梯形栅包括两个部分，横截面梯形的部分为梯形栅，横截面为矩形的部分为矩形栅；

所述上下排类梯形栅，一侧的栅顶距离到另一侧的栅底(矩形金属管的上壁或下壁)距离为b；

矩形栅长度方向中心位置为圆形开孔，作为电子注通道，圆形电子注通道的半径为r，尺寸参数满足：2×r<h2，所有圆形开孔大小相同，并且在传输方向上连线为直线，平行与矩形金属管。

本发明目的是这样实现的：

本发明类梯形交错双栅慢波结构，在交错双栅慢波结构的基础上，底部采用梯形栅，中间部分采用矩形栅，圆形电子注通道开在矩形栅上，梯形栅与矩形栅组成类梯形栅，类梯形栅在纵向即传输方向上依次交错排列，周期为p，宽边长度为a，窄边长度为b，其中梯形栅高度为h1，长度为慢波结构宽边长度a，梯形栅斜边与水平方向夹角为theta，矩形栅高度为h2，宽度(厚度)为g，长度为慢波结构宽边长度a，圆形电子注通道半径为r，尺寸参数满足：2×r<h2。经测试，本发明类梯形交错双栅慢波结构色散特性得到了改善，具有更宽的带宽，高频损耗大大降低，同时具有更高的耦合阻抗值，原因在于电子注通道轴向场分量较为集中，这意味着电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。

附图说明

图1是现有折叠波导慢波结构的结构示意图；

图2是本发明类梯形交错双栅慢波结构一种具体实施方式结构示意图；

图3是图2类梯形交错双栅慢波结构的纵向(传输方向)截面图；

图4是现有折叠波导慢波结构与本发明类梯形交错双栅慢波结构的色散特性比较图；

图5是现有折叠波导慢波结构与本发明类梯形交错双栅慢波结构的耦合阻抗比较图；

图6是现有折叠波导慢波结构与本发明类梯形交错双栅慢波结构的高频损耗特性比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

在本实施例中，如图2、3所示，本发明类梯形交错双栅慢波结构包括矩形金属管1以及类梯形交错双栅2，其中，矩形金属管1宽边为a。

类梯形交错双栅2包括上排间隔p沿纵向(传输方向)倒放在矩形金属管1上壁的多个类梯形栅201(构成上排类梯形栅)以及下排间隔p沿纵向(传输方向)正放在矩形金属管1下壁的多个类梯形栅201(构成下排类梯形栅)，上下排类梯形栅的类梯形栅呈周期性交错排列。这样，类梯形交错双栅的周期为p。

类梯形栅201为沿宽边放置的柱状结构，长度为a，横截面为下方为等腰梯形，上方为矩形，其中，梯形高度为h1，梯形斜边(腰)与水平方向的夹角为theta，梯形的上底边宽度为g，矩形高度为h2，上下边的宽度(厚度)为g；类梯形栅包括两个部分，横截面梯形的部分为梯形栅，横截面为矩形的部分为矩形栅。

上下排类梯形栅，一侧的类梯形栅201的栅顶距离到另一侧的的类梯形栅201的栅底距离为b，即上侧类梯形栅201的栅顶距离矩形金属管1下壁、下侧类梯形栅201的栅顶距离矩形金属管1上壁的距离为b。

矩形栅长度方向中心位置为圆形开孔，作为电子注通道，圆形电子注通道的半径为r，尺寸参数满足：2×r<h2，所有圆形开孔大小相同，并且在传输方向上连线为直线，平行与矩形金属管。

在本实施例中，如图2所示，在216ghz频段，本发明类梯形交错双栅慢波结构结构尺寸为(单位：mm)：a＝0.76mm，b＝0.255mm，r＝0.11mm。

在本实施例中，如图3所示，在216ghz频段，本发明类梯形交错双栅慢波结构结构尺寸为(单位：mm)：p＝0.52mm，h1＝0.255mm，h2＝0.25mm，g＝0.08mm，theta＝100°，r＝0.11mm，即2×r<h2。

作为对比，如图1所示的现有折叠波导慢波结构，a为波导宽边长度，b为波导窄边长度，h为直波导高度，p为周期长度，r为电子注通道半径，g为金属栅宽度。在本实施例中，在216ghz频段，对比例即现有折叠波导慢波结构的结构尺寸为(单位：mm)：a＝0.76mm，b＝0.18mm，h＝0.23mm，p＝0.514mm，r＝0.11mm，g＝0.077mm。

在本实施例中，针对上述216ghz频段的现有折叠波导慢波结构以及本发明类梯形交错双栅慢波结构，利用三维电磁仿真软件hfss进行计算，获得其色散特性、耦合阻抗进出比较。同时，利用三维电磁仿真软件cst对两种慢波结构各80个周期进行模拟，获得两种慢波结构的高频损耗特性。仿真结果如图4、图5、图6所示，其中，标号1、3、5分别是现有折叠波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、高频损耗特性曲线；标号2、4、6分别是本发明类梯形交错双栅慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、高频损耗曲线。

图4是现有折叠波导慢波结构与本发明类梯形交错双栅慢波结构的色散特性比较图。

在本实施例中，从图4中的本发明实例和对比例相比较可知，本发明类梯形交错双栅结构相比于现有折叠波导慢波结构，在相当宽的频带内(202～232ghz)，本发明类梯形交错双栅慢波结构的归一化相速基本相同，然而在整个频带内(202～232ghz)，本发明类梯形交错双栅慢波结构的归一化相速曲线较为平坦，色散特性得到了改善。

图5是现有折叠波导慢波结构与本发明类梯形交错双栅慢波结构的耦合阻抗比较图。

在本实施例中，从图5中的本发明实例和对比例相比较可以明显的看出，相比于现有的折叠波导慢波结构，在相当宽的频带内(203～233ghz)，本发明所提供的类梯形交错双栅慢波结构具有更高的耦合阻抗值。说明本发明中本发明实例和对比例慢波结构的耦合阻抗值得到了有效地提高，本发明实例中在216ghz频点处的耦合阻抗kc＝4.5ω，对比例中在216ghz频点处的耦合阻抗kc＝3.9ω，耦合阻抗kc提升近15％，同时，结合图4，我们可以看出，在耦合阻抗提高的同时，色散特性没有降低，反而有所改善，这意味着电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。

图6是现有折叠波导慢波结构与本发明类梯形交错双栅慢波结构的高频损耗特性比较图。

在本实施例中，从图6中的本发明实例和对比例相比较可知，相比于现有折叠波导慢波结构，在205～240ghz频带内，本发明类梯形交错双栅慢波结构的高频损耗明显小于现有折叠波导，这意味着本发明类梯形交错双栅慢波结构与现有折叠波导相比，具有更加良好的传输特性，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。

结合图4、图5、图6，我们可以看出，本发明类梯形交错双栅慢波结构相对现有折叠波导慢波结构，色散特性有所改善，耦合阻抗显著提升，同时，本发明类梯形交错双栅慢波结构具有良好的传输特性，即具有非常低的高频损耗，意味着它的输出功率、增益和互作用效率将会更高，表明本发明类梯形交错双栅慢波结构具有良好的性能。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。