一种大功率太赫兹行波管慢波电路、行波管及设计方法与流程

本发明涉及微波真空电子。更具体地，涉及一种大功率太赫兹行波管慢波电路、行波管及设计方法。

背景技术：

1、行波管具有频带宽、效率高和体积小的优点，且电子注电压适中并能提供比较大的功率。太赫兹行波管可以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。慢波电路是电子注与微波信号进行能量交换的场所，是行波管最为核心的部件。一直以来螺旋线和耦合腔行波管占据着主导地位，但是随着工作频率的不断提高，散热和加工等问题对传统慢波电路和行波管提出了严峻挑战。常规结构形式的慢波电路作为一种全金属的结构，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。因此，太赫兹折叠波导行波管吸引了国内外众多研究机构的广泛关注，极具发展潜力。图1a是现有常规结构形式的慢波电路基本结构单元立体示意图，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，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。该基本结构单元各尺寸参数见图1a和图1b，分别为：电子注通道半径r；慢波电路基本单元半几何周期p；直波导段的长度h；波导宽边的长度a；波导窄边的长度b。

2、在大功率行波管设计中，提高慢波电路耦合阻抗和采用较大的工作电流是最常见手段。耦合阻抗代表的是电子注和高频电场之间进行能量交换的能力，高耦合阻抗预示着更高的互作用效率，当电子注功率一定下，耦合阻抗越高，行波管输出功率越大。工作电流则代表的是参与互作用的电子注的电流大小，直接决定了行波管直流功率，当互作用效率一定的情况下，工作电流越大，行波管越能够获得大功率。

3、耦合阻抗的提高通常是将工作点前移，工作点越靠近截止频率，其值越大，注波互作用能力越强，行波管输出功率越大。但在大功率太赫兹行波管慢波电路设计中，随着频率的提高，慢波电路的尺寸十分微小，其电子注通道半径的尺寸仅在百微米左右。在这种设计中，由于动态散焦的存在，导致原本能够在通道内进行稳定传输的高能电子，迅速径向膨胀，打在常规结构形式的慢波电路通道内壁上。这部分电流成为截获电流，一方面瞬间产生大量的热，直接烧坏高频结构，行波管失效；另一方面电流被截获，导致这部分电流无法进一步交出能量，从而限制了行波管功率的提高。

4、工作电流的提高通常是增大阴极的发射电流密度，其值越大，行波管输出功率越大。但在大功率太赫兹行波管慢波电路设计中，一方面这会使行波管寿命大幅下降。此外在太赫兹频段工作电流的增大直接带来了更大的聚焦压力，当前磁性材料性能已不能满足实际应用需求；若采用永磁体聚焦方式，行波管在体积及重量上至少增加一倍，不利于后续行波管工程化应用。

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，提供一种大功率太赫兹行波管慢波电路，以提高行波管输出功率。

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，提供一种大功率太赫兹行波管慢波电路设计方法，以获得如上所述慢波电路。

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、一种大功率太赫兹行波管慢波电路，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；

6、所述电子注通道包括沿电子注传输方向排列的与电子非扩张区对应的均匀电路以及与电子扩张区对应的位于电子注通道末端的末端电路；

7、所述末端电路半径r2大于所述均匀电路半径r1。

8、此外，优选地方案是，沿电子注传输方向，所述末端电路为等径通道结构、或者为内径递增通道结构、或者为内径递增通道结构与等径通道结构的结合。

9、此外，优选地方案是，沿电子注传输方向，所述均匀电路为等径通道结构。

10、此外，优选地方案是，沿电子注传输方向，所述末端电路为内径递增通道结构，所述电子注通道壁面呈锥状结构。

11、此外，优选地方案是，所述末端电路为等径通道结构，所述均匀电路与末端电路之间包括有过渡电路；

12、所述过渡电路的半径介于r1与r2之间。

13、此外，优选地方案是，所述过渡电路为等径通道结构、或者为内径递增通道结构、或者为内径递增通道结构与等径通道结构的结合。

14、此外，优选地方案是，沿电子注传输方向，所述均匀电路的数量为两段，两段所述均匀电路之间形成有电子漂移区。

15、此外，优选地方案是，所述慢波电路的工作频段位于g波段及g波段以上波段。

16、为解决上述第二个技术问题，本发明采用下述技术方案：

17、本发明提供一种行波管，该行波管包括如上所述的慢波电路。

18、为解决上述第三个技术问题，本发明采用下述技术方案：

19、本发明提供一种大功率太赫兹行波管慢波电路设计方法，该方法包括：

20、设计初始慢波电路，该初始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；所述电子注通道包括沿电子注传输方向排列的与电子非扩张区对应的均匀电路以及与电子扩张区对应的位于电子注通道末端的末端电路；

21、利用三维电磁场模拟软件，沿电子注传输方向，调整末端电路内径；末端电路半径r2大于均匀电路半径r1，实现频点内慢波电路截获功率的改善。

22、本发明的有益效果如下：

23、在保持常规折叠波导慢波不增加结构复杂性的前提下，本发明提供一种大功率太赫兹行波管慢波电路，皆在使得采用该慢波电路的行波管能够实现更大的输出功率和获得更高的动态流通率，避免高效率下因截获电流出现导致慢波电路被高温损毁的情况。

技术特征：

1.一种大功率太赫兹行波管慢波电路，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；其特征在于，

2.根据权利要求1所述的慢波电路，其特征在于，沿电子注传输方向，所述末端电路为等径通道结构、或者为内径递增通道结构、或者为内径递增通道结构与等径通道结构的结合。

3.根据权利要求1所述的慢波电路，其特征在于，沿电子注传输方向，所述均匀电路为等径通道结构。

4.根据权利要求1所述的慢波电路，其特征在于，沿电子注传输方向，所述末端电路为内径递增通道结构，所述电子注通道壁面呈锥状结构。

5.根据权利要求1所述的慢波电路，其特征在于，所述末端电路为等径通道结构，所述均匀电路与末端电路之间包括有过渡电路；

6.根据权利要求5所述的慢波电路，其特征在于，所述过渡电路为等径通道结构、或者为内径递增通道结构、或者为内径递增通道结构与等径通道结构的结合。

7.根据权利要求1所述的慢波电路，其特征在于，沿电子注传输方向，所述均匀电路的数量为两段，两段所述均匀电路之间形成有电子漂移区。

8.根据权利要求1所述的慢波电路，其特征在于，所述慢波电路的工作频段位于g波段及g波段以上波段。

9.一种行波管，其特征在于，该行波管包括根据权利要求1至8任意一项权利要求所述的慢波电路。

10.一种大功率太赫兹行波管慢波电路设计方法，其特征在于，该方法包括：

技术总结
本发明实施例公开一种大功率太赫兹行波管慢波电路、行波管及设计方法，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；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；电子注通道包括沿电子注传输方向排列的与电子非扩张区对应的均匀电路以及与电子扩张区对应的位于电子注通道末端的末端电路；末端电路半径R2大于均匀电路半径R1。采用本发明提供的慢波电路的行波管能够实现更大的输出功率和更高的动态流通率，避免高效率下因截获电流出现导致慢波电路被高温损毁的情况。

技术研发人员：边兴旺,潘攀,蔡军
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：2024/1/15