一种新型慢波结构及行波管

本发明涉及真空电子，具体涉及一种新型慢波结构及行波管。

背景技术：

1、在现代社会，电磁技术已经渗透到各个领域。这种依赖贯穿日常生活，如微波炉、商用手机通信和雷达等。然而，这些只是电磁波应用的冰山一角。通常情况下，这些应用工作在低频和低功率环境下，能够使用固态放大器其他设备来满足需求。然而，随着技术的不断进步，太赫兹频段应用的市场需求逐渐扩张，急需开发与研制高功率与宽频带的高频辐射源。

2、然而，受限于太赫兹频段带来的高频损耗、高性能材料和加工工艺需求，固态电子器件面临众多的技术与工程挑战。功率输出能力急剧下降，导致器件无法满足对辐射源的性能需求。相较固态电子器件，真空电子器件得益于其高功率、宽频带和线性增益，成为太赫兹辐射源的首要选择。其中，行波管具有体积小、带宽宽、功率高的特点，已被证明是最重要的太赫兹功率放大器之一。

3、在行波管中，将电子束的动能提取的周期性导波结构称为慢波结构，行波管的放大性能极大程度受慢波结构的高频特性影响。在慢波结构众多高频特性中，色散特性与耦合阻抗是衡量慢波结构性能的重要指标。通过分析色散特性，可预知行波管的工作频率带宽；通过分析耦合阻抗，可预知电子束与电磁波能量交换的有效程度，耦合阻抗越高，电子束与电磁波互作用效果越好，行波管的电子效率越高且输出功率越大；通过分析欧姆损耗特性，可预知电磁波在波导系统的传输损耗，较高的欧姆损耗会降低行波管的输出功率。

4、行波与驻波，是电磁波的两种传输模式，行波通常用于传输信号或能量，驻波通常用于调谐信号。

5、目前最常用的行波慢波结构为曲折波导慢波结构，曲折波导慢波结构的色散较弱，具有较宽的工作带宽。然而随着工作频率达到太赫兹频段，慢波结构的耦合阻抗急剧降低极大程度上降低了行波管的放大性能。

6、目前最常用的驻波慢波结构为谐振腔，虽然谐振腔的互作用效果较好输出功率较大，但其较强的色散特性导致是极窄的通频带宽与工作带宽，难以满足工程需求。

技术实现思路

1、为了解决曲折波导慢波结构的耦合阻抗低、带宽窄的缺点，本发明提供一种新型慢波结构及行波管，该结构在太赫兹频段易加工、散热好、带宽更宽和耦合阻抗高等优点。本发明解决了曲折波导耦合阻抗低，带宽窄的缺点，并且可以根据需求，在一个慢波结构中实现行波-驻波的分量调谐。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种新型慢波结构，该慢波结构包括传统谐振腔慢波结构和曲折波导慢波结构，曲折波导慢波结构包括第一曲折波导和第二曲折波导，第一曲折波导和第二曲折波导分别加载在传统谐振腔慢波结构的谐振腔宽边两侧，形成单周期慢波结构；

4、注-波互作用的区域为传统谐振腔慢波结构，非注-波互作用的区域为曲折波导慢波结构；利用传统谐振腔慢波结构的谐振腔的强谐振特性提高该慢波结构的耦合阻抗和带宽，并且欧姆损耗没有得到明显恶化。

5、其中，注-波互作用指的是电子注和电磁波互作用。

6、本发明在传统曲折波导慢波结构基础之上，将传统曲折波导慢波结构一分为二并加载在传统谐振腔慢波结构的谐振腔的宽边两侧，形成单周期慢波结构。这样在传统曲折波导慢波结构基础之上，注-波互作用的核心区域替换为具有较强谐振的谐振腔慢波结构(驻波慢波结构)，而在非注-波互作用的区域采用利用能量输出的曲折波导慢波结构(行波慢波结构)。可预见本发明慢波结构用在行波管中可以实现更高效的能量交换。并通过仿真计算，本发明明显具有带宽更宽和耦合阻抗更高的优势，并且欧姆损耗没有得到明显恶化。

7、进一步地，第一曲折波导和第二曲折波导是由传统曲折波导慢波结构沿谐振腔宽边方向(即横向方向)一分为二得到。作为进一步地优选，第一曲折波导和第二曲折波导是由传统曲折波导慢波结构沿谐振腔宽边方向(即横向方向)均分得到。

8、进一步地，传统曲折波导慢波结构的谐振腔宽边指的是其横截面中长的那条边。

9、进一步地，该慢波结构还包括电子束通道，电子束通道是沿传统谐振腔慢波结构的纵向方向设置；

10、纵向方向为笛卡尔坐标系中电子束贯穿方向。

11、进一步地，电子束通道的数量为一个、两个或多个。

12、进一步地，电子束通道为圆形或椭圆形或带状或天然通道亦可。

13、进一步地，该慢波结构采用的金属材料包括但不限于无氧铜，其余金属材料亦可。例如，采用表面粗糙度为1um的高导无氧铜。

14、第二方面，本发明又提供了一种行波管，该行波管包括上述的一种新型慢波结构。

15、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

16、1、本发明一种新型慢波结构及行波管，本发明在传统曲折波导慢波结构基础之上，提出一种单周期曲折波导慢波结构，通过改变单元结构，提升单元结构的性能。具体地，将传统曲折波导慢波结构一分为二并加载在传统谐振腔慢波结构的谐振腔的宽边两侧，形成单周期慢波结构。这样在传统曲折波导慢波结构基础之上，注-波互作用的核心区域替换为具有较强谐振的谐振腔慢波结构，利用谐振腔的强谐振特性提高慢波结构的耦合阻抗，即注-波能量转换效率；而在非注-波互作用的区域采用利用能量输出的曲折波导慢波结构。可预见本发明慢波结构用在行波管中可以实现更高效的能量交换。此外，由于宽边方向依然保持原有传统曲折波导慢波结构的结构特性，本发明案例应用在慢波结构中时慢波色散特性，即电磁波在单元结构中的传输特性并没有得到恶化。并且高频特性计算结果显示，本发明明显具有更宽的带宽，更弱的色散现象，更高的耦合阻抗与相当的欧姆损耗水平。弥补了传统曲折波导耦合阻抗低，带宽窄的缺点。

17、2、仿真数据显示，本发明具有更宽的通频带宽，证明本发明慢波结构有用更宽的电磁波传输频率范围。并在本发明在较宽频带内拥有较弱的色散现象，可预见本发明慢波结构用在行波管中可以实现较宽的增益带宽。

18、3、仿真数据显示，本发明可以在较宽带宽内，实现较高的耦合阻抗。可预见本发明慢波结构用在行波管中可以更高效地进行注-波互作用，实现更大的功率输出、更高的电子效率。

19、4、仿真数据显示，本发明可以在通频带带宽内，拥有与传统曲折波导相当的欧姆损耗，证明谐振腔的引入并没有使欧姆损耗特性恶化。

技术特征：

1.一种新型慢波结构，其特征在于，该慢波结构包括传统谐振腔慢波结构和曲折波导慢波结构，所述曲折波导慢波结构包括第一曲折波导和第二曲折波导，所述第一曲折波导和第二曲折波导分别加载在传统谐振腔慢波结构的谐振腔宽边两侧，形成单周期慢波结构；

2.根据权利要求1所述的一种新型慢波结构，其特征在于，所述第一曲折波导和第二曲折波导是由传统曲折波导慢波结构沿谐振腔宽边方向一分为二得到。

3.根据权利要求2所述的一种新型慢波结构，其特征在于，所述第一曲折波导和第二曲折波导是由传统曲折波导慢波结构沿谐振腔宽边方向均分得到。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种新型慢波结构，其特征在于，所述传统曲折波导慢波结构的谐振腔宽边指的是其横截面中长的那条边。

5.根据权利要求1所述的一种新型慢波结构，其特征在于，该慢波结构还包括电子束通道，所述电子束通道是沿所述传统谐振腔慢波结构的纵向方向设置；

6.根据权利要求5所述的一种新型慢波结构，其特征在于，所述电子束通道的数量为一个、两个或多个。

7.根据权利要求5所述的一种新型慢波结构，其特征在于，所述电子束通道为圆形或椭圆形。

8.根据权利要求5所述的一种新型慢波结构，其特征在于，所述电子束通道为带状。

9.根据权利要求1所述的一种新型慢波结构，其特征在于，该慢波结构采用的金属材料为高导无氧铜。

10.一种行波管，其特征在于，该行波管包括权利要求1-9任一项所述的一种新型慢波结构。

技术总结
本发明公开了一种新型慢波结构及行波管，该慢波结构包括传统谐振腔慢波结构和曲折波导慢波结构，所述曲折波导慢波结构包括第一曲折波导和第二曲折波导，所述第一曲折波导和第二曲折波导分别加载在传统谐振腔慢波结构的谐振腔宽边两侧，形成单周期慢波结构；注‑波互作用的区域为所述传统谐振腔慢波结构，非注‑波互作用的区域为所述曲折波导慢波结构；利用所述传统谐振腔慢波结构的谐振腔的强谐振特性提高该慢波结构的耦合阻抗和带宽。本发明明显具有更宽的带宽，更弱的色散现象，更高的耦合阻抗与相当的欧姆损耗水平。弥补了传统曲折波导耦合阻抗低，带宽窄的缺点。

技术研发人员：段景瑞,路志刚,高鹏,王泽川,陈海峰,常政,桂小凡,郑震霆
受保护的技术使用者：电子科技大学长三角研究院（湖州）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25