一种抗电子轰击的折叠波导慢波电路、行波管及方法与流程

本发明涉及微波真空电子。更具体地，涉及一种抗电子轰击的折叠波导慢波电路、行波管及方法。

背景技术：

1、太赫兹行波管是一类电真空放大器，实现对太赫兹波的功率放大，对太赫兹技术的发展具有十分重要的意义。慢波电路是行波管中微波信号与电子注交换能量的场所，目前，在太赫兹频段适合圆形注的慢波电路主要是折叠波导慢波电路。这是一种全金属结构，散热能力强，带宽大，输入输出耦合结构简单且易于加工，高频损耗小，极具发展潜力。

2、常规折叠波导慢波电路是由矩形波导e面弯曲，沿轴线方向按一定周期排列形成的管道结构。其基本结构单元真空模型及该单元的主要视图见图1a-图1d。慢波电路结构中中间的圆形通道为电子注通道，微波信号沿着曲折路径在波导内传输，从而达到降低相速度的目的。该慢波电路结构各尺寸参数分别为：电子注通道半径r；慢波电路半周期长度p(一个周期长度2p)；直波导段高度h；慢波电路宽边长度a；直波导段窄边长度b。常规折叠波导慢波电路结构中，弯曲波导连接段外圆弧边界与内圆弧边界合围区域记为10；弯曲波导连接段内圆弧边界与电子注通道所限定边界合围区域记为20，该区域定义为“孤岛”，电子注通道所在区域记为30。由几何参数可知，在太赫兹波段，一般取直波导段高度h大于通道的直径2r，此结构中“孤岛”区域的尺寸主要取决于慢波电路中直波导段高度h、半周期长度p以及波导窄边长度b，随着工作频率的提高，由于尺寸共度效应，在g波段“孤岛”区域20尺寸在百微米左右。

3、采用该基本折叠波导慢波电路结构进行g波段高效率电路设计时，与宽带小功率电路设计不同，“孤岛”区域20的尺寸会不可避免的进一步大幅缩减(例如典型值由75um减小至40um)。这是因为，进行高效率折叠波导慢波电路设计需要提升慢波电路耦合阻抗，常常将中心频率f0靠近下截止频率，这主要是通过减小慢波电路宽边长度a的尺寸，但同时为了保证合理的工作电压，参数慢波电路半周期长度p必须取的很小，综合导致该慢波电路中“孤岛”区域20的尺寸迅速减小，例如通常在大功率设计中该值仅在40um左右。如此微小的“孤岛”区域20在结构上将会变得脆弱，高频内部散热性能也会大幅下降，热可靠性带来了极大地挑战。

4、另一方面，高效率折叠波导慢波电路受外界聚焦磁场性能的限制，行波管实际工作过程中，慢波电路末端高频场非常强，高频的径向场对电子注的扰动相当剧烈，致使聚焦变坏；相当多的电子交出了大量的能量，速度大幅降低，造成磁场参量上升，电子注刚性变坏，脉动增大；很高的效率形成高密度群聚块，致使电子相互排斥力增加；上述因素都会导致原本能够在电子注通道内(区域30)进行稳定传输的高能电子打在高效率折叠波导慢波电路微观结构上，其中最薄弱的部位，即折叠波导内圆弧与通道边界的合围的“孤岛”区域20将会截获大量电流，产生的热会烧毁该区域。

5、以采用常规折叠波导进行高效率慢波电路设计为例，利用相关热学模拟软件，折叠波导内圆弧与通道边界的合围区域“孤岛”区域20施加10w的热载荷。模拟结果表明，孤岛温度达到996.38℃，已经接近该材料的熔点，表明该结构将会被烧坏，参照图2所示。

6、综合上述两方面因素，在高效率互作用电路中，常规折叠波导慢波电路的“孤岛”区域20是一个极其薄弱点。其将会在行波管高占空比工作下，被高能电子毁坏，致使行波管完全失效。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明要解决的第一个技术问题是提供一种抗电子轰击的折叠波导慢波电路，以大幅提高慢波电路抗电子轰击能力，满足大功率行波管的应用。

2、本发明要解决的第二个技术问题是提供一种包括如上所述折叠波导慢波电路的行波管。

3、本发明要解决的第三个技术问题是提供一种抗电子轰击的折叠波导慢波电路设计方法，以获得如上所述折叠波导慢波电路。

4、本发明要解决的第四个技术问题是提供一种抗电子轰击的折叠波导慢波电路制作工艺，以获得如上所述折叠波导慢波电路。

5、为解决上述第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：

6、一种抗电子轰击的折叠波导慢波电路，包括由彼此交错分布的多个上栅体和多个下栅体所限定形成的具有多周期性的慢波电路；所述慢波电路包括连通的直波导段、弯曲波导连接段以及电子注通道；所述弯曲波导连接段包括内圆弧边界cin，内圆弧边界cin在直波导段宽边方向上贯穿所述电子注通道。

7、此外，优选地方案是，在直波导段高度方向上，所述内圆弧边界cin与电子注通道所限定边界间包括有间隙δs。

8、此外，优选地方案是，所述电子注通道半径为r，慢波电路半周期长度为p，直波导段高度为h，直波导段窄边长度为b；所述间隙δs的取值范围为：[r-(p-b)/2]≤δs≤(2r-p+b)。

9、此外，优选地方案是，所述内圆弧边界cin为半圆弧、优弧或劣弧。

10、此外，优选地方案是，所述δs为电子注通道内弯曲波导连接段内圆弧边界cin端点q与电子注通道在直波导段高度方向上所限定的外围边界间的垂直距离。

11、此外，优选地方案是，所述弯曲波导连接段呈非半圆型的弯曲结构。

12、为解决上述第二个技术问题，本发明采用下述技术方案：

13、本发明提供一种行波管，该行波管包括如上所述的折叠波导慢波电路。

14、为解决上述第三个技术问题，本发明采用下述技术方案：

15、本发明提供一种抗电子轰击的折叠波导慢波电路设计方法，该方法包括：

16、根据需要设计初始折叠波导慢波电路，该初始折叠波导慢波电路包括连通的直波导段、弯曲波导连接段以及电子注通道。

17、利用三维电磁场模拟软件，下移弯曲波导连接段内圆弧边界cin至电子注通道所限定边界内；

18、在直波导段高度方向上，所述内圆弧边界cin与电子注通道所限定边界间设计间隙δs，实现同等热载荷条件下慢波电路抗电子轰击能力的改善。

19、此外，优选地方案是，所述电子注通道半径r，慢波电路半周期长度p，直波导段高度h，直波导段窄边长度b；所述间隙δs的取值范围为：[r-(p-b)/2]≤δs≤(2r-p+b)。

20、为解决上述第四个技术问题，本发明采用下述技术方案：

21、本发明提供一种抗电子轰击的折叠波导慢波电路制作工艺，步骤如下：

22、在一个结构半体上由截平面上加工出由彼此交错分布的多个第一上栅体和多个第一下栅体所限定形成的具有多周期性的第一慢波电路槽道以及第一电子注通道槽；

23、在另一个结构半体上由截平面上加工出由彼此交错分布的多个第二上半栅体和多个第二下半栅体所限定形成的具有多周期性的第二慢波电路槽道以及第二电子注通道槽；

24、两个结构半体截平面相对且扣合，通过压力扩散焊形成折叠波导慢波电路；

25、第一慢波电路槽道与第二慢波电路槽道围合形成的区域形成折叠波导慢波电路的慢波电路；

26、第一电子注通道槽与第二电子注通道槽围合形成的区域形成折叠波导慢波电路的电子注通道；

27、多个第一上栅体和多个第二上半栅体形成折叠波导慢波电路的上栅体结构；多个第一下栅体和多个第二下半栅体形成折叠波导慢波电路的上、下栅体结构。

28、本发明的有益效果如下：

29、在保持常规折叠波导慢波电路电性能和不增加结构复杂性的前提下，本发明提供一种抗电子轰击的折叠波导慢波电路结构，皆在消除常规折叠波导慢波电路在高效率慢波电路设计中薄弱点，大幅提高慢波电路抗电子轰击能力，提高行波管效率，满足大功率行波管的应用。

30、基于慢波电路抗电子轰击能力的提升，可降低聚焦系统压力，由此使得采用该慢波电路的行波管能够实现高占空比甚至连续波状态工作，极大地拓展了行波管可正常工作的占空比范围。