一种电子注通道开口型折叠波导慢波结构、行波管及方法与流程

本发明涉及微波真空电子。更具体地，涉及一种电子注通道开口型折叠波导慢波结构、行波管及方法。

背景技术：

1、行波管是一种真空电子器件，能够实现微波信号产生或放大，在通信、电子对抗、雷达系统等领域具有广阔的发展前景。行波管主要由电子枪、慢波结构、收集极、输入输出装置和磁聚焦系统构成。其中慢波结构是进行注-波互作用的场所，即实现微波信号产生或放大的关键部件。目前，折叠波导类慢波结构是毫米波/太赫兹频段行波管主要采用的慢波结构之一。这种结构为全金属波导结构，具有结构简单、易于加工、功率容量大等优势。

2、常规折叠波导慢波结构结构是将矩形波导沿电场面弯曲，组成一系列直波导段和波导连接段的周期结构，电子注通道位于折叠波导慢波结构的中轴线上，径向方向在相邻两段直波导间处于闭合状态。参照图1至图3所示，图中示出的a表示折叠波导慢波结构的宽边长度，b为折叠波导慢波结构直波导段的窄边长度，几何半周期为p，直波导段的高度为h，电子注通道半径为rc。

3、常规折叠波导慢波结构应用于行波管时，通常选取-1次空间谐波作为工作点，对应相移为360°～720°。其中，相移360°～540°之间电子注通道轴线耦合阻抗较大，但色散较强；相移540°～720°之间色散较弱，但电子注通道轴线耦合阻抗也较小。常规折叠波导慢波结构的色散强度与电子注通道rc和波导宽边长度a的比值成正比。对于毫米波/太赫兹波段的常规折叠波导慢波结构，由于电子注聚焦能力的限制，电子注通道半径rc占比波导宽边a较大，导致色散更为强烈。因此，常规折叠波导慢波结构应用于宽频带毫米波/太赫兹波段行波管时，为了获取足够的带宽，通常将工作点选择在相移540°～720°之间，导致电子注通道轴线耦合阻抗较小，限制了行波管的输出功率、增益和电子效率。

4、常规折叠波导慢波结构的另一个问题是，无法单独对相光速比进行调节。在通过调节常规折叠波导主要结构参数对相光速比进行调节时，必然会引起电子注通道轴线耦合阻抗的变化。

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电子注通道开口型折叠波导慢波结构，以提升宽频带行波管的输出功率、增益和电子效率。

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结构的行波管。

3、本发明要解决的第三个技术问题是提供一种电子注通道开口型折叠波导慢波结构设计方法，以获得如上所述折叠波导慢波结构。

4、为解决上述第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：

5、本发明提供一种电子注通道开口型折叠波导慢波结构，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多周期性结构，所述折叠波导慢波结构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c1，内圆弧边界c1位于电子注通道所限定边界内；

6、内圆弧边界c1与直波导段间包括有内圆弧交接部q1，所述内圆弧交接部q1与电子注通道轴线l0间在电子注通道径向方向上形成有间隔高度h1。

7、此外，优选地方案是，所述电子注通道半径为rc，慢波结构半周期长度为p，直波导段窄边长度为b；所述间隔高度h1的取值范围为：0<h1<rc-(p-b)/2。

8、此外，优选地方案是，所述弯曲波导连接段包括外圆弧边界c2，外圆弧边界c2与直波导段间包括有外圆弧交接部q2，所述外圆弧交接部q2与电子注通道轴线l0间在电子注通道径向方向上形成有间隔高度h2；

9、所述间隔高度h2大于间隔高度h1。

10、此外，优选地方案是，所述电子注通道半径为rc，慢波结构半周期长度为p，直波导段窄边长度为b；所述间隔高度h2的取值范围为：rc-(p+b)/2<h2。

11、此外，优选地方案是，电子注通道径向方向上，内圆弧交接部q1位于电子注通道轴线l0与外圆弧交接部q2之间。

12、此外，优选地方案是，所述折叠波导慢波结构为宽频带慢波结构；该折叠波导慢波结构应用于毫米波/太赫兹频段行波管。

13、为解决上述第二个技术问题，本发明采用下述技术方案：

14、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结构。

15、为解决上述第三个技术问题，本发明采用下述技术方案：

16、本发明提供一种电子注通道开口型折叠波导慢波结构设计方法，该方法包括：

17、根据需要设计初始折叠波导慢波结构，该初始折叠波导慢波结构包括连通的直波导段、弯曲波导连接段以及电子注通道；

18、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c1至电子注通道所限定边界内；

19、内圆弧边界c1与直波导段间的内圆弧交接部q1与电子注通道轴线l0间在电子注通道径向方向上设计间隔高度h1，实现折叠波导慢波结构带宽不变下，耦合阻抗的改善。

20、此外，优选地方案是，所述弯曲波导连接段包括外圆弧边界c2，外圆弧边界c2与直波导段间包括有外圆弧交接部q2，外圆弧交接部q2与电子注通道轴线l0间在电子注通道径向方向上设计间隔高度h2；所述间隔高度h2大于间隔高度h1。

21、此外，优选地方案是，通过改变间隔高度h1和间隔高度h2，调节折叠波导慢波结构相光速比，优化折叠波导慢波结构性能。

22、本发明的有益效果如下：

23、相较于常规折叠波导慢波结构，本发明在常规折叠波导慢波结构的基础上在没有增加工艺复杂度和精度的条件下，通过将弯曲波导连接段内圆弧边界c1设计至电子注通道所限定边界内，内圆弧边界c1与直波导段间内圆弧交接部q1与电子注通道轴线l0间在电子注通道径向方向上具有间隔高度h1，实现了慢波结构匹配性能的优化，由此获得的慢波结构应用于宽频带毫米波/太赫兹行波管，在工作频带相同的前提下，行波管工作点能够选取在相移540°之前，色散平坦，电子注通道轴线耦合阻抗可得到大幅提升，行波管输出功率、增益效率和电子效率能够得到明显改善。

24、基于本发明提供慢波结构中间隔高度h1和间隔高度h2对相光速比影响敏感，对电子注通道轴线耦合阻抗影响不敏感，本发明可直接通过调节间隔高度h1和间隔高度h2，在保证电子注通道轴线耦合阻抗基本不变的情况下，实现对行波管相光速比的调节。本发明提供慢波结构工作频带内高频端的损耗比常规折叠波导慢波结构更小，适用于使用该类慢波结构的宽频带毫米波/太赫兹行波管带载能力的提高。

25、根据本发明的电子注通道开口型折叠波导慢波结构、行波管，可以广泛应用于新一代移动通信设备，宽频带无线移动通信技术中的移动通信基站设备中，以及在卫星发射领域和广播电视网领域的发射设备中。

技术特征：

1.一种电子注通道开口型折叠波导慢波结构，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多周期性结构，所述折叠波导慢波结构包括连通的直波导段、弯曲波导连接段以及电子注通道；其特征在于，所述弯曲波导连接段包括内圆弧边界c1，内圆弧边界c1位于电子注通道所限定边界内；

2.根据权利要求1所述的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述电子注通道半径为rc，慢波结构半周期长度为p，直波导段窄边长度为b；所述间隔高度h1的取值范围为：0<h1<rc-(p-b)/2。

3.根据权利要求1所述的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述弯曲波导连接段包括外圆弧边界c2，外圆弧边界c2与直波导段间包括有外圆弧交接部q2，所述外圆弧交接部q2与电子注通道轴线l0间在电子注通道径向方向上形成有间隔高度h2；

4.根据权利要求3所述的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述电子注通道半径为rc，慢波结构半周期长度为p，直波导段窄边长度为b；所述间隔高度h2的取值范围为：rc-(p+b)/2<h2。

5.根据权利要求3所述的折叠波导慢波结构，其特征在于，电子注通道径向方向上，内圆弧交接部q1位于电子注通道轴线l0与外圆弧交接部q2之间。

6.根据权利要求1所述的折叠波导慢波结构，其特征在于，所述折叠波导慢波结构为宽频带慢波结构；该折叠波导慢波结构应用于毫米波/太赫兹频段行波管。

7.一种行波管，其特征在于，该行波管包括权利要求1至6任意一项权利要求所述的折叠波导慢波结构。

8.一种电子注通道开口型折叠波导慢波结构设计方法，其特征在于，该方法包括：

9.根据权利要求8所述的折叠波导慢波结构设计方法，其特征在于，所述弯曲波导连接段包括外圆弧边界c2，外圆弧边界c2与直波导段间包括有外圆弧交接部q2，外圆弧交接部q2与电子注通道轴线l0间在电子注通道径向方向上设计间隔高度h2；所述间隔高度h2大于间隔高度h1。

10.根据权利要求9所述的折叠波导慢波结构设计方法，其特征在于，

技术总结
本发明公开了一种电子注通道开口型折叠波导慢波结构、行波管及方法，折叠波导慢波结构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C<subgt;1</subgt;，内圆弧边界C<subgt;1</subgt;位于电子注通道所限定边界内；内圆弧边界C<subgt;1</subgt;与直波导段间包括有内圆弧交接部Q<subgt;1</subgt;，所述内圆弧交接部Q<subgt;1</subgt;与电子注通道轴线L<subgt;0</subgt;间在电子注通道径向方向上形成有间隔高度h<subgt;1</subgt;。在本发明与常规折叠波导慢波结构工作频带相同的前提下，行波管工作点能够选取在相移540°之前，色散平坦，电子注通道轴线耦合阻抗可得到大幅提升，行波管输出功率、增益效率和电子效率能够得到明显改善。

技术研发人员：冯源,张宏宇,潘攀,蔡军,冯进军
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十二研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14