一种半周期交错梯形凹字端面栅慢波装置

本发明属于真空电子，更为具体地讲，涉及一种半周期交错梯形凹字端面栅慢波装置。

背景技术：

1、太赫兹波因其频段位于红外与微波之间，处在电子学向光子学的过渡区，有许多特殊的性质，在军事、通信、医疗、检测等领域有巨大的应用潜力。在各种太赫兹源中，真空电子器件是同时兼具大功率和高效率的一类。行波管作为真空电子器件的重要分支，具有频带宽、功率大、效率高等众多优点，在雷达、空间通信、电子对抗等应用方面有不可替代的地位。慢波结构是行波管的核心部分，输入行波管的电磁波信号在慢波结构中与电子注发生互作用，实现信号功率的放大，慢波结构的优劣将严重影响行波管的性能。

2、随着器件工作频率提升至太赫兹波段，全金属慢波结构因其机械强度高、散热好、易加工等优点是当下高频行波管慢波结构研究的主流类型。全金属慢波结构大类中，折叠波导和交错双栅慢波结构是被国内外学者广泛研究的两种，其各自有着不同的优缺点。常规折叠波导慢波结构是将矩形波导的宽边按一定节距来回弯曲折叠并沿系统的中心轴线贯穿开一个圆孔作为电子注通道所形成的一种慢波结构，具有耦合阻抗高、功率容量大的优点，但随着工作频率提升至500ghz及以上，慢波结构的尺寸将减小至微米级，受目前机械加工工艺的影响，该频段折叠波导慢波结构的加工效果很难达到理想水平。常规交错双栅慢波结构是在矩形波导两宽边内侧按一定间距加载相互交错排列的金属栅所形成的一种慢波结构，拥有天然的电子注通道，整体结构简单，易于加工，具有非常宽的带宽且传输损耗较低，但由于纵向电场较弱，慢波结构的耦合阻抗偏低，导致行波管的输出功率和增益都较低，虽然交错双栅慢波结构可以兼容带状电子注来扩大互作用面积与增大驱动电流，进而提高注波互作用效果，但带状电子注的应用对聚焦磁体的加工装配误差要求极高，难以适应用于500ghz以上频段。

3、深反应离子刻蚀(drie)工艺，指通过反应离子刻蚀和侧壁钝化多次交替反复进行，进而在基片上制造出高宽深比结构的各向异性刻蚀工艺。先通过深反应离子刻蚀工艺加工出高宽深比的结构，再以这种结构作为模具，通过电镀/电铸的方式获得金属导波结构部件，是当前被验证的一种具有可行性的微米级慢波结构加工方案。

4、有鉴于此，设计一种不额外增加聚焦磁场设计加工难度，带宽较宽、损耗较小、耦合阻抗较高，适宜刻蚀加工方式、加工后结构机械强度较高的、色散可调节的新型慢波结构具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种半周期交错梯形凹字端面栅慢波装置，结合了折叠波导和交错双栅慢波结构的优点，使本发明能够适应用于500ghz以上频段。

2、为实现上述发明目的，本发明一种半周期交错梯形凹字端面栅慢波装置，其特征在于，包括：矩形波导壳体、在矩形波导壳体的两宽边内侧加载的半周期交错梯形凹字端面的栅体所形成的周期漫波结构、形波导壳体两宽边内侧加载的栅体凹字端面交错重叠所形成的电子注通道；

3、其中，栅体的宽度等于矩形波导壳体的宽边长度，栅体的顶端厚度和底端厚度不一致，即在平行于矩形波导壳体窄边的截面呈等腰梯形；栅体的顶端中心处设有矩形下凹缺口且贯穿栅体，即栅体垂直于装置中心轴线的端面且呈凹字形；栅体于矩形波导壳体的上下两宽边内侧交错排列，其高度高于矩形波导壳体窄边长度的一半，从而保证上下宽边交错排列的栅体在装置中心轴线重叠；上下相邻的一组栅体沿装置中心轴线方向错位半个周期交错排列，即设于同一宽边相邻两栅体之间中心距为一个周期长度，所有栅体均具有相同的形状和尺寸从而组成周期慢波结构，当上宽边栅体和下宽边栅体交错重叠后，相邻两栅体间的凹字端面重叠后形成矩形缺口为电子注通道，电子注通道与栅体顶端到矩形波导宽边壳体的真空部分相连通的，两者连通后形成凸字形真空部分；

4、当慢波装置工作时，通过矩形波导壳体上下宽边两侧的栅体降低输入至装置中的射频信号沿装置中心轴线方向的相速，使得射频信号与电子注有相近的行进速度，进而实现电子注与射频信号在互作用的过程中使电子注交出直流能量，从而完成射频信号被放大。

5、本发明的发明目的是这样实现的：

6、本发明一种半周期交错梯形凹字端面栅慢波装置，包括：矩形波导壳体、在矩形波导壳体的两宽边内侧加载的半周期交错梯形凹字端面的栅体所形成的周期漫波结构、形波导壳体两宽边内侧加载的栅体凹字端面交错重叠所形成的电子注通道；当慢波装置工作时，通过矩形波导壳体上下宽边两侧的栅体降低输入至装置中的射频信号沿装置中心轴线方向的相速，使得射频信号与电子注有相近的行进速度，进而实现电子注与射频信号在互作用的过程中使电子注交出直流能量，从而完成射频信号被放大。

7、同时，本发明一种半周期交错梯形凹字端面栅慢波装置还具有以下有益效果：

8、(1)、本发明提出的半周期交错梯形凹字端面栅慢波结构，结构整体较简单，适宜刻蚀加工，与常规折叠波导慢波结构相比实现了带宽更宽、损耗更小的性能提升且加工后结构机械强度更高，对比常规交错双栅慢波结构具有耦合阻抗更高、磁场聚焦更容易的优势；

9、(2)、在本发明中栅体中心矩形下凹缺口所形成的电子注通道是与栅体顶端到矩形波导宽边壳体的真空部分相连通的，这样的设计保证了新型慢波结构加工后的机械强度较高；

10、(3)、本发明采用贯穿栅体的方式来获得电子注通道，通道的形状可以做成矩形进一步应用圆形电子注，相比常规交错双栅慢波结构应用带状电子注的方案，极大的降低了行波管磁场聚焦的难度；

11、(4)、将电子注通道真空部分与距壳体真空部分相连通的设计，能够更好的改善慢波结构的性能指标。

技术特征：

1.一种半周期交错梯形凹字端面栅慢波装置，其特征在于，包括：矩形波导壳体、在矩形波导壳体的两宽边内侧加载的半周期交错梯形凹字端面的栅体所形成的周期漫波结构、形波导壳体两宽边内侧加载的栅体凹字端面交错重叠所形成的电子注通道；

技术总结
本发明公开了一种半周期交错梯形凹字端面栅慢波装置，包括：矩形波导壳体、在矩形波导壳体的两宽边内侧加载的半周期交错梯形凹字端面的栅体所形成的周期漫波结构、形波导壳体两宽边内侧加载的栅体凹字端面交错重叠所形成的电子注通道；当慢波装置工作时，通过矩形波导壳体上下宽边两侧的栅体降低输入至装置中的射频信号沿装置中心轴线方向的相速，使得射频信号与电子注有相近的行进速度，进而实现电子注与射频信号在互作用的过程中使电子注交出直流能量，从而完成射频信号被放大。

技术研发人员：张银玉,郑源,董洋,王宇欣,宫玉彬
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14