一种可实现电子相位正跳变的慢波结构、行波管及方法

本发明属于电真空，具体涉及一种可实现电子相位正跳变的慢波结构、行波管及方法。

背景技术：

1、行波管能够实现微波信号的产生和放大，具有高功率容量、宽频带、高输出效率等特性，在卫星通信、雷达系统等领域具有非常广阔的发展前景。然而，从行波管的工作原理来看，行波管属于非线性放大器件，各类非线性效应将会在其工作中产生。当不断增加高频激励，行波管可能会出现幅度失真和相位失真等现象。这些非线性失真特性将不可避免地对卫星导航系统、雷达以及通信系统等使用行波管的器件的正常工作造成影响。因此，如果非线性特性不能够有效地抑制，行波管等真空电子器件在卫星通信等领域的发展将受到消极影响。

2、慢波结构属于微波真空电子器件的核心部分，主要应用于空间行波管这一类电真空放大器件，用以实现对电磁波信号的功率放大。慢波结构作为行波管中微波信号与电子注交换能量的场所，目前，主要采用的结构之一是折叠波导这类慢波结构。该结构为全金属波导结构，具有结构简单、易加工等优点。与螺旋型、耦合腔型等传统波导结构相比，具有功率容量大、带宽宽的特点。常规折叠波导慢波结构是由相同结构的基本结构单元，沿轴线方向按一定周期排列形成的管道结构，如图1所示。其采用的基本结构单元由矩形波导e面弯曲而来，该基本结构单元的真空模型以及主要视图如图2-图5所示。该基本结构单元各尺寸参数分别为：电子注通道半径为rc；折叠波导单元单周期长度p；直波导段宽边长度a，窄边长度b；直波导段长度h。折叠波导慢波结构单元中中间的圆形通道为电子注通道，微波信号沿曲折路径在波导内传输。

3、采用图1所示的常规折叠波导类慢波结构工作时，当给行波管注入小信号电平时，其功率曲线、增益曲线、效率曲线和信号相位曲线等输出特性基本上保持线性，此时行波管的非线性效应很小；然而，为使行波管能够在最大的增益和效率下工作，其工作往往处于饱和状态，在该状态下，随着器件输入信号不断地增大，相应的输出功率、增益及信号相位等特性将远离小信号输入的线性关系，此时的输出功率、整管增益和输出信号相位将不再随输入信号线性变化，呈现非线性失真，其将直接影响慢波结构的整体性能，导致行波管的输出性能降低，误码率提高。

技术实现思路

1、为了在不降低行波管输出效果的同时一致行波管的非线性效应，本发明提供了一种可实现电子相位正跳变的慢波结构、行波管及方法，本发明提出的慢波结构通过在传统折叠波导慢波结构中插入正相位跳变结构，使得电子在慢波结构中运动时的相位发生跳变，从而优化慢波结构非线性特性，满足行波管的应用需求。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种可实现电子相位正跳变的慢波结构，所述慢波结构包括：

4、周期折叠波导结构，所述周期折叠波导结构为由至少一个基本结构单元依次连接成的管道结构，所述基本结构单元包括依次连接的四分之一圆弧弯曲波导连接段、直波导段和四分之一圆弧弯曲波段连接段，每个所述基本结构单元和与之相邻的所述基本结构单元通过彼此的四分之一圆弧弯曲波导连接段相连通，且每个所述基本结构单元和与之相邻的所述基本结构单元关于它们的中轴面对称；所述基本结构单元还包括垂直贯穿所述直波导段的电子注通道；

5、以及正相位跳变结构，所述正相位跳变结构包含直波导，所述直波导的前后两端分别与一段所述周期折叠波导结构的四分之一圆弧弯曲波导连接段相连通，所述直波导前后两段所述周期折叠波导结构的电子注通道相连通。

6、常规折叠慢波结构工作中产生的各类非线性效应，会使行波管出现幅度失真和相位失真等现象，从而影响器件的正常工作。本发明提出的慢波结构通过在周期折叠波导结构中加入正相位跳变结构，正相位跳变结构前后两端通过直波导和电子注通道与前后两段周期折叠波导结构相连，使得电子在慢波结构中运动时的相位发生跳变，从而优化慢波结构非线性特性，满足行波管的应用需求。

7、作为优选实施方式，本发明的四分之一圆弧弯曲波导连接段、直波导段以及所述直波导的横截面尺寸相同。

8、作为优选实施方式，本发明的直波导的长度取决于电子相位跳变的角度，表示为：

9、

10、其中，l为直波导的长度，为电子相位跳变的角度，f为工作频率，vp慢波为周期折叠波导结构中波的相速，vp直波导为正相位跳变结构中波的相速。

11、作为优选实施方式，本发明的四分之一圆弧弯曲波导连接段的内侧圆弧和外侧圆弧的圆心位置相同，皆处于中轴面上，且圆心距离电子注通道轴线半个直波导段长度；

12、所述内侧圆弧的半径为所述基本结构单元的周期长度减去直波导段宽度的差的一半；

13、所述外侧圆弧的半径为所述基本结构单元的周期长度加上直波导段宽度的和的一半。

14、作为优选实施方式，本发明的直波导前端连接的所述周期折叠波导结构包含n1个所述基本结构单元；所述直波导后端连接的所述周期折叠波导结构包含n2个所述基本结构单元；

15、且n1和n2的取值范围应满足：n1-n2≥0。

16、作为优选实施方式，本发明的电子注通道至少一个，其横截面为圆形。

17、第二方面，本发明提出了一种行波管，所述行波管包括权利要求1-6任一项所述的可实现电子相位正跳变的慢波结构。

18、第三方面，本发明还提出了上述可实现电子相位正跳变的慢波结构的设计方法，所述设计方法包括：

19、根据所需指标设计由多个基本结构单元依次连接的初始慢波结构；

20、利用一维注波互作用仿真程序，在所述初始慢波架构中插入正相位跳变结构将所述初始慢波结构分为前后两段周期折叠波导结构，直波导前后两端分别与一段周期折叠波导结构的四分之一圆弧完全波导连接段相连通，直波导前后两段周期折叠波导结构的电子注通道相连通；

21、设置直波导前后两段周期折叠波导结构所包含的基本结构单元数量；设置电子相位跳变角度，确定所述正相位跳变结构中的直波导长度，进行行波管注波互作用模拟。

22、作为优选实施方式，本发明的设计方法还包括：

23、通过改变所述正相位跳变结构插入位置以调节所述直波导前后两段周期折叠波导结构所包含的基本结构单元数量，改变电子相位跳变角度以调节所述直波导的长度，进行新的行波管注波互作用过程模拟，以进行结构参数优化。

24、作为优选实施方式，本发明的直波导的长度取决于电子相位跳变的角度，表示为：

25、

26、其中，l为直波导的长度，为电子相位跳变的角度，f为工作频率，vp慢波为周期折叠波导结构中波的相速，vp直波导为正相位跳变结构中波的相速；

27、所述直波导前端连接的所述周期折叠波导结构包含n1个所述基本结构单元；所述直波导后端连接的所述周期折叠波导结构包含n2个所述基本结构单元；

28、且n1和n2的取值范围应满足：n1-n2≥0。

29、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

30、1、本发明提供了一种新的慢波结构，其通过在周期折叠波导结构的基础上，加入正相位跳变结构，正相位跳变结构前后两端通过直波导和电子注通道与前后两段周期折叠波导结构相连，使得电子在慢波结构中运动时的相位发生跳变，从而优化慢波结构非线性特性，满足行波管的应用需求；

31、2、基于本发明提出的慢波结构，还可通过调节正相位跳变结构前后的周期性基本结构单元数量、以及通过改变电子相位跳变角度以调节正相位跳变结构中直波导段长度，优化结构参数，在没有增加工艺复杂度和精度，且不改变常规折叠波导结构电性能的前提下，可以实现保障行波管输出功率、效率与增益达到实际需要的同时，亦实现对输出信号非线性特性的明显改善，满足空间行波管的应用。