一种双通道交错双栅慢波结构

1.本发明涉及真空技术领域，具体而言，涉及一种双通道交错双栅慢波结构。


背景技术：

2.太赫兹技术是当今电子领域的热门话题，在军事装备、科学研究、国民经济等诸多领域具有非常重要的应用价值。作为主要的太赫兹源之一，真空电子器件的发展极大地推动了太赫兹技术。行波管作为真空电子器件的核心分支，具有优异的带宽和功率容量，是非常重要的太赫兹放大器。作为行波管的核心部分，慢波结构会极大地影响行波管的功率和带宽。在太赫兹领域，目前主要使用的慢波结构有：折叠波导、交错双栅、正弦波导。因其加工简单易行，被广泛用于太赫兹波段的行波管。
3.其中，传统交错双栅慢波结构是由矩形波导和加载在两宽边内壁相互交错的金属矩形栅构成的栅加载慢波结构，具有较宽的带宽，易于加工，天然的电子注通道，能够适用于带状电子注，互作用面积大，散热性好，功率容量高等优点。但在传统的交错双栅慢波结构中，由于其具有较强的反射和较大的传输损耗，且纵向电场较弱，耦合阻抗偏低，从而导致了以其作为核心的行波管的输出功率与增益都比较低。
4.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是现有技术中的交错双栅慢波结构中，其设置的结构使得两矩形栅之间形成天然的电子注通道，具有较强的反射和较大的传输损耗，导致行波管的输出功率与增益都比较低，目的在于提供一种双通道交错双栅慢波结构，提高了行波管的输出功率与增益。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一种双通道交错双栅慢波结构，包括壳体、形成在内腔第一侧面上的若干第一栅体、以及形成在内腔与第一侧面相对应的第二侧面上的若干第二栅体，每个所述第一栅体上均设有第一通孔，每个所述第二栅体上均设有第二通孔，若干所述第一通孔与若干所述第二通孔形成双电子注通道；所述第一栅体与所述第二栅体交错排列在所述壳体内，且所述第一栅体的底部与所述第二栅体的顶部交错重叠设置。
8.传统的交错双栅慢波结构中，矩形栅的高度低于矩形波导高度的一半，从而具有天然的电子注通道，互作用面积大，散热性好，功率容量高，但是采用这种方法制造的交错双栅慢波结，具有较强的反射和较大的传输损耗，且由于天然电子注通道内的纵向电场强度较低，导致行波管的输出功率与增益都比较低。本发明提供了一种双通道交错双栅慢波结构，通过设置上下栅体交错重叠，且在第一栅体与第二栅体上各形成通孔，形成双通道电子注入，增加了电子注通道内纵向电场的强度，提高了行波管的输出功率与增益。
9.优选地，所述第一栅体底部与所述第二栅体的顶部均设有与水平面呈角度设置的斜面体。
10.优选地，所述第一栅体的高度与所述第二栅体的高度均高于所述壳体高度的一半。
11.优选地，所述第一栅体包括第一三棱柱与第一长方体，所述第一长方体一侧设置在所述第一侧面上，所述第一长方体的另一侧设置与所述第一三棱柱的侧面连接，所述第一通孔设置在所述第一长方体上，且若干第一长方体排列形成第一电子注通道。
12.优选地，所述第二栅体包括第二三棱柱与第二长方体，所述第二长方体一侧设置在所述第二侧面上，所述第二长方体的另一侧设置与所述第二三棱柱的侧面连接，所述第二通孔设置在所述第二长方体上，且若干第二长方体排列形成第二电子注通道。
13.优选地，所述第一栅体与所述第二栅体交错重叠的高度为第一三棱柱或第二三棱柱在垂直方向上的高度。
14.优选地，所述第一通孔与所述第二通孔均为矩形通孔，且通过矩形通孔的一边与三棱柱相切设置。
15.优选地，若干所述第一栅体与若干所述第二栅体是呈周期性的相互交错设置。
16.优选地，所述第一栅体的厚度范围为：0.15mm～0.25mm，所述第二栅体的厚度范围为：0.15mm～0.25mm。
17.优选地，所述第一栅体与所述第二栅体交错重叠的高度为0.1mm～0.2mm。
18.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
19.本发明实施例提供的一种双通道交错双栅慢波结构，通过设置上下栅体交错重叠，且在第一栅体与第二栅体上各形成通孔，形成双通道电子注入，且增加了电子注通道内纵向电场强度，提高了行波管的输出功率与增益。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.图1为双通道交错双栅慢波结构立体结构示意图
22.图2为双通道交错双栅慢波结构立体结构内腔侧视图
23.图3为双通道交错双栅慢波结构立体结构内腔俯视图
24.图4为本实施例与传统交错双栅慢波结构色散曲线对比
25.图5为本实施例与传统交错双栅慢波结构耦合阻抗对比
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，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。
27.在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
28.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
29.在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
30.本实施例公开了一种双通道交错双栅慢波结构，如图1、图2以及图3所示，包括壳体、形成在内腔第一侧面2上的若干第一栅体3、以及形成在内腔与第一侧面2相对应的第二侧面5上的若干第二栅体6，每个所述第一栅体3上均设有第一通孔1，每个所述第二栅体6上均设有第二通孔4，若干所述第一通孔1与若干所述第二通孔4形成双电子注通道；所述第一栅体3与所述第二栅体6交错排列在所述壳体内，且所述第一栅体3的底部与所述第二栅体6的顶部交错重叠设置。
31.在本实施中设置的双栅慢波结构，将第一栅体3的底部与第二栅体6的顶部设置为交错重叠，消除了传统双栅慢波结构中天然形成的电子注入通道，减少了反射以及降低了传输损耗，在第一栅体3中设置的通孔，当若干第一栅体3排列设置在第一侧面2上的时候，由于在每个第一栅体3中，设置的通孔的位置与大小均相同，则若干第一通孔1形成了第一电子注通道，且第一通孔1设置的位置不能与第一栅体3交错重叠的位置重合，在第二栅体6中设置的第二通孔4的原理和第一栅体3一样，因此，当若干第二栅体6设置在第二侧面5上时，由若干第二通孔4排列形成了第二电子注通道，第一电子注通道与第二电子注通道形成了双电子注通道结构，增强了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。同时双电子注通道使得在相同的阴极发射密度下具有更大工作电流，有利于行波管增益和效率的提高。
32.所述第一栅体3底部与所述第二栅体6的顶部均设有与水平面呈角度设置的斜面体，将第一栅体3底部与第二栅体6顶部设置为斜面体，主要是设置的斜面体能够增加电子注通道内纵向电场上的强度，且有效的提高了耦合阻抗。
33.所述第一栅体3的高度与所述第二栅体6的高度均高于所述矩形波导高度的一半，将第一栅体3与第二栅体6的高度均设置为矩形波导高度的一半，能够将第一栅体3底部与第二栅体6顶部充分的交错重叠在一起，消除传统双栅结构中天然形成的电子注通道。
34.本实施例中，设置的结构具体为：所述第一栅体3包括第一三棱柱8与第一长方体9，所述第一长方体9一侧设置在所述第一侧面2上，所述第一长方体9的另一侧设置与所述第一三棱柱8的侧面连接，所述第一通孔1设置在所述第一长方体9上，且若干第一长方体9排列形成第一电子注通道。
35.所述第二栅体6包括第二三棱柱(10)与第二长方体7，所述第二长方体7一侧设置在所述第二侧面5上，所述第二长方体7的另一侧设置与所述第二三棱柱(10)的侧面连接，
所述第二通孔4设置在所述第二长方体7上，且若干第二长方体7排列形成第二电子注通道。
36.所述第一栅体3与所述第二栅体6交错重叠的高度为第一三棱柱8或第二三棱柱在垂直方向上的高度。
37.设置的第一栅体3或者第二栅体6是由长方体外加三棱柱的形式进行组合而成，且整个栅体在垂直面的高度必须高于矩形波导高度的一半，且设置的通孔不在第一栅体3与第二栅体6交错重叠的位置中出现，需保证第一栅体3与第二栅体6交错重叠的部分设置有相对应的斜面体，设置的斜面体能够增加电子注通道内纵向电场强度，有效的提高了耦合阻抗。
38.所述第一通孔1与所述第二通孔4均为矩形通孔，且通过矩形通孔的一边与三棱柱相切设置。
39.若干所述第一栅体3与若干所述第二栅体6是呈周期性的相互交错设置，在本实施例中，设置的第一栅体3与第二栅体6均为金属栅，且第一侧面2上的第一栅体3之间呈周期性的交错设置，第二侧面5上的第二栅体6呈周期性的设置。
40.在本实施例中，所述第一栅体3的厚度范围为：0.15mm～0.25mm，所述第二栅体6的厚度范围为：0.15mm～0.25mm；所述第一栅体3与所述第二栅体6交错重叠的高度为0.1mm～0.2mm。为了得到较好的色散特性，所述第二栅体6的厚度s小于周期长度的1/5；所述第一栅体3与所述第二栅体6交错重叠的高度s应小于栅体高度的1/2。
41.本实施例将第一栅体3与第二栅体6高度设置为超出矩形波导高度的一半，使原本交错栅的天然电子注通道消失，同时设置了贯穿矩形波导和矩形通孔通道用于电子注通道，从而增加了电子注通道内纵向电场的强度，增强了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。同时双电子注通道使得在相同的阴极发射密度下具有更大工作电流，有利于行波管增益和效率的提高。
42.因此本实施例不但具有交错双栅频带宽、功率容量高、易于加工的优点，更弥补了交错栅耦合阻抗低，低增益和低输出功率的缺陷。
43.具体设置结构以及原理：
44.本实施例交错双栅慢波结构，w为波导宽边长度，h为第一栅体3与第二栅体6中矩形栅的高度，s为第一栅体3与第二栅体6的厚度，t为第一栅体3与第二栅体6在垂直方向上交错的距离，p为结构的周期长度。bh为矩形通道的高度，bw为矩形通道的宽度，本实施例交错双栅慢波结构的结构尺寸为(单位：mm)：
45.w＝1.96,h＝0.46,s＝0.2,t＝0.15,p＝1.07,bh＝0.25,bw＝0.92。
46.利用三维电磁仿真软件hfss分别对上述常规交错双栅和改进型交错双栅慢波结构进行计算，获得了其色散特性及耦合阻抗，并将其结果进行比较，结果如图4、图5。图4为本实施例与常规交错双栅慢波结构的色散特性曲线即归一化相速(normalized phase velocity)随频率(frequency)变化曲线对比，图5为本实施例与常规交错双栅慢波结构的耦合阻抗(interaction impedance)随频率变化曲线对比。
47.如图4所示，传统的交错双栅慢波结构工作频率范围为76-118ghz，本实施例的工作频率范围为76-133ghz，因此本实施例具有比传统交错双栅结构更宽的频率范围。且在相当宽的频带(76ghz-110ghz)内本实施例与常规正弦波导慢波结构的归一化相速基本相同，保证了工作频段以及工作电压与传统交错双栅结构基本相同，从而有利于后续比较。而在
高于110ghz的频段，本实施例的色散曲线更加平缓，具有更宽的频带，表现出更好的色散特性。
48.如图5所示，在工作频带(76ghz～104ghz)内，本发明比常规的传统交错双栅结构具有更高的耦合阻抗。结合图4可以得出，在与传统交错双栅结构行波管的工作条件保持一致的情况下，以本实施例为核心的行波管的电子注与电磁波互作用能力更强，能够实现更高的增益和更大的功率。
49.本实施例公开的一种双通道交错双栅慢波结构，通过在在传统交错双栅慢波结构的基础上通过改变金属矩形栅的形状以及增大金属栅的高度使原本交错栅的天然电子注通道消失，同时设置两排用于贯穿矩形波导和金属栅的矩形通道形成上排和下排的双电子注通道，增加了电子注通道内纵向电场强度，有效提高了耦合阻抗，增大了输出功率和电子效率，同时具有交错栅频带宽、功率容量大、散热好等优点。
50.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。