一种基于指数函数的渐变栅宽型交错双栅慢波结构

技术领域

本发明涉及慢波结构，尤其涉及一种基于指数函数的渐变栅宽型交错双栅慢波结构。

背景技术

行波管由于兼顾大功率和宽频带的特点被广泛应用于通讯卫星、雷达、电子对抗等领域，其在众多微波真空电子器件中具有不可替代的地位。行波管主要由五个部分组成：电子枪、慢波结构、输入输出耦合结构、收集极和聚焦系统，电子枪发射一定速度的电子，慢波结构是电子与电磁波发生互作用的场所，它将传输的电磁波相速度降到同步速度后，电磁场对电子进行调制，而调制的电子注交出能量使得电磁波功率放大，这也是行波管的工作原理，输入耦合结构将高频信号耦合到慢波线上，输出耦合结构将放大的高频信号耦合到输出电路上，收集极用来收集已经和电磁场换能完毕后的电子，聚焦系统用来约束电子行径方向，保证电子顺利通过慢波结构而不被截获。其中慢波结构是行波管的关键部件，其性能决定了行波管的工作性能。

近年来，随着真空电子器件向毫米波、太赫兹频段发展，慢波结构也由适用于低频段的螺旋线型和耦合腔型向折叠波导型和交错双栅型转变，其中交错双栅型慢波结构由于具有大功率容量、天然的电子注通道和易加工的特点被广泛应用于太赫兹频段，传统的矩形交错双栅慢波结构色散较强、耦合阻抗较低，根据皮尔斯小信号理论和微波管大信号理论可知，色散的强弱会影响器件的工作带宽，耦合阻抗的大小会直接影响器件的增益、电子效率等关键性指标，因此，需要探索一种色散弱，耦合阻抗高的新型交错双栅慢波结构。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能提高耦合阻抗和改善色散特性的基于指数函数的渐变栅宽型交错双栅慢波结构。

技术方案：本发明的渐变栅宽型交错双栅慢波结构，由多个单个栅体在矩形波导内周期性排布构成；所述单个栅体为上栅单元与下栅单元交错排布的双栅结构，上栅单元与下栅单元之间设有一定间距、为带状电子注通道；上栅单元与下栅单元的结构相同，所述上/下栅单元的截面形状如下：两端为矩形，中部的截面轮廓曲线为指数函数。

进一步，所述上/下栅单元的截面形状满足x轴向对称和y轴向对称，其指数函数的表达式为：

其中，-c≤x≤c，c为渐变部分的横向半长度；a为指数函数的系数；d为轮廓曲线在y轴正半轴方向的距离。

进一步，所述上栅单元(2)与下栅单元(3)水平方向排布的间距为p/2，第一个单个栅体的上栅单元(2)距离矩形波导(1)端面的距离为p/4，其中p为单个周期的周期长度。

进一步，所述上/下栅单元的截面总长度为矩形波导的宽边长度。

进一步，矩形波导和单个栅体的材料均为导电金属。

本发明与现有技术相比，其显著效果如下：

1、本发明中上/下栅单元的截面形状，采用两端为矩形、中部截面的轮廓曲线为指数函数的结构，在相位速度相近的前提下，纵向电场幅值高，从而耦合阻抗高，为行波管提供更高的输出功率、增益和电子效率；

2、本发明中上/下栅单元的截面中，渐变部分的横向半长度，能改善慢波结构工作频段内的色散特性和耦合阻抗；本发明的结构色散低，可以在较宽的频带范围内工作。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明单个周期结构轴侧图；

图3为本发明单个周期结构主视图；

图4为图3的右视图；

图5(a)为本发明栅单元结构轴侧图,

图5(b)为本发明栅单元横截面示意图；

图6为本发明与传统的矩形交错双栅慢波结构的195GHz处的纵向电场对比图；

图7为本发明与传统的矩形交错双栅慢波结构的归一化相位速度对比图；

图8为本发明与传统的矩形交错双栅慢波结构的耦合阻抗对比图；

图9为栅体关键结构参数a的变化对慢波结构性能的影响结果图；

图10为栅体关键结构参数c的变化对慢波结构性能的影响结果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

(一)结构设计

如图1所示，为本发明的慢波结构示意图；本发明的慢波结构通过在矩形波导1内周期性排布的多个单个栅体构成。如图2所示，单个栅体为上栅单元2与下栅单元3交错排布的双栅结构，上栅单元2与下栅单元3之间为带状电子注通道，电子注通道的高度为b。矩形波导和栅单元的材料均为导电金属，如：铜、铝、金、银等。周期数量越多，行波管的增益越高，本实施例中采用80个周期。

如图3、图4所示，p为单个周期的周期长度，l为支撑板的厚度，w为矩形波导的宽边长度，b为电子注通道高度，h为栅的高度；上栅单元2和下栅单元3是半周期交错的：上栅单元2的纵向轴线与下栅单元3的纵向轴线距离为p/2。各部分尺寸为：a＝1.25，w＝0.8mm，b＝0.2mm，h＝0.3mm，l＝0.05mm，c＝0.18mm，d＝0.08mm，p＝0.5mm。本实施例是在工作中心频率为200GHz的基础上设计的，在其他应用频段下的结构尺寸可由本发明结构尺寸按照应用频段标准矩形波导宽边长度与本结构矩形波导的宽边长度w的比值进行缩放得到。本发明不局限于具体实施方式。

如图5(a)所示，栅单元高度为h；栅单元的横截面如图5(b)所示，其轮廓曲线满足指数函数，曲线的函数表达式为：

式中，a为指数函数的系数，d为轮廓曲线在y轴正半轴方向的距离，c为渐变部分的横向半长度。

(二)仿真模拟实验

在195GHz处一个周期内不同位置，通过三维电磁仿真软件对本发明进行仿真，图6是本发明与传统矩形交错双栅结构的纵向电场对比图。可以发现，本发明提出的交错双栅慢波结构的纵向电场幅度值为2.5×10

图7为本发明与传统的矩形交错双栅慢波结构的色散曲线，可以发现，本发明在工作频段190GHz-230 GHz内，相位速度随频率的变化小，变化差为0.003；而传统的矩形交错双栅慢波结构的相位速度变化差为0.005，这充分说明相较于传统的矩形交错双栅慢波结构，本发明的交错双栅慢波结构具有更加低的色散特性，低色散特性能够保证很宽频带内的电子注与电磁场的互作用同步条件较强，可以为行波管提供非常宽的工作带宽。由此可知，与现有的矩形结构相比，本发明的纵向电场更加集中在电子注通道中间，根据耦合阻抗的公式，在相位速度相近时，纵向电场越强，耦合阻抗越高，有利于电磁场与电子注的交互。

图8为本发明与传统的矩形交错双栅慢波结构的耦合阻抗对比图，在190GHz–230GHz的工作内，与传统的矩形交错双栅慢波结构相比，本发明的耦合阻抗提升了42％-67％，根据行波管工作原理可知，基于本发明的交错双栅慢波结构的行波管能够获得更高的输出功率、增益和电子效率。

图9为本发明的关键结构参数a对慢波结构性能的影响，在结构方面，参数a影响的是渐变部分的平滑程度，a越小，渐变部分越平滑。可以发现，参数a对慢波结构的相位速度影响微小，对耦合阻抗的影响较大，适度的渐变能够提升耦合阻抗的大小从而提到电子注与电磁波互作用的强度。

图10为本发明的关键结构参数c对慢波结构性能的影响，在结构方面，参数c是渐变部分的横向半长度，可以发现，参数c对慢波结构的相位速度和耦合阻抗影响都较大，c越大，慢波结构的相位速度越小且色散变大，低频处的耦合阻抗较小，高频处的耦合阻抗较大，适当的渐变部分横向长度能改善慢波结构工作频段内的色散特性和耦合阻抗。