一种细腰形折叠波导慢波结构、行波管及设计方法

技术领域

本发明涉及微波真空电子技术领域。更具体地，涉及一种细腰形折叠波导慢波结构、行波管及设计方法。

背景技术

行波管具有高功率、高效率、宽频带、长寿命等优点，在军事和领域都有着明确的应用需求。慢波结构作为行波管的核心部分之一，其作用是降低在其中传输电磁波的相速度，使某一次空间谐波与电子注满足同步条件，电子注和电磁场之间会发生互作用，通过能量交换放大电磁波。

常见的行波管慢波结构主要有螺旋线型、耦合腔型、折叠波导型以及一些新型结构的慢波线。而在短毫米波及太赫兹频段，螺旋线结构在绕制、散热方面都难以满足短毫米波及太赫兹行波管对慢波电路的要求，因此，行波管慢波电路多采用全金属折叠波导慢波结构。全金属耦合腔结构具有耦合阻抗高、散热好等特点，但整体加工难度大，难以实现小尺寸、高精度慢波电路一体化加工。折叠波导慢波结构具有以下特点：(1)全金属结构，散热性能更好，并且结构强度也较高，抗振能力强；(2)折叠波导慢波结构是二维结构，易于加工，可采用高精密数控机床机械加工，也可采用UV-LIGA技术、3D打印技术等微加工工艺加工，可适用于毫米波及太赫兹行波管慢波结构，被国内外电真空器件研究单位广泛研究。

常规折叠波导慢波结构是将折叠波导沿电场面弯曲，组成一系列直波导和半圆弯曲波导的周期结构，如附图1所示，其中：电子注通道为圆柱形结构，位于折叠波导慢波结构的纵向中轴线上；弯曲波导的内外边界都为半圆弧，两个半圆弧圆心点位置重合且半径差值与折叠波导窄边一致，即起止点切线均与对应的直波导壁重合；折叠波导的宽边长和窄边长分别用a和b表示，慢波结构的几何周期为p，直波导长度为h，电子注通道半径为rc。

在短毫米及太赫兹频段，常规折叠波导慢波结构的轴向耦合阻抗(Kc)较低，电子注与电磁波互作用效率不高，限制器件增益、功率及效率的性能提升，在一定程度上影响了这类慢波结构应用。因此，为提升折叠波导的耦合阻抗，基于常规折叠波导衍生出了一系列变形慢波结构，其中，一种弧形弯曲波导边界折叠波导慢波结构在没有增加工艺复杂度和精度的条件下提高了耦合阻抗，提升幅度达到30％，在E波段、W波段、G波段行波管得到应用，横截面结构图如附图2所示。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种细腰形折叠波导慢波结构、行波管及设计方法能够进一步提升折叠波导慢波结构的耦合阻抗，同时减弱直波导段与波导连接段间发生的突变。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明提供一种细腰形折叠波导慢波结构，包括周期性结构的多个折叠波导单元和电子注通道；

所述折叠波导单元包括直波导段和波导连接段，形成所述折叠波导单元和电子注通道的金属栅具有朝向所述直波导段的弧面突出结构。

优选方案是，所述弧面突出结构关于所述电子注通道轴线对称。

优选方案是，所述弧面突出结构关于所述折叠波导单元的中轴线对称。

优选方案是，所述波导连接段包括内圆弧和外圆弧；所述直波导段包括内弧边和外弧边；

所述内圆弧与内弧边平滑连接，所述外圆弧与外弧边平滑连接。

优选方案是，所述直波导段的窄边长度由两端到中间逐渐变小。

优选方案是，所述直波导段的两侧边界为弧形边界；所述弧形边界所对应的半径为R

优选方案是，所述弧形边界所对应的半径为R

优选方案是，所述弧面突出结构的宽度等于直波导段的长边长度。

本发明还提供一种行波管，包括如上所述的细腰形折叠波导慢波结构。

本发明还提供一种细腰形折叠波导慢波结构设计方法，包括以下步骤：

根据需要设计初始折叠波导慢波结构，该初始折叠波导慢波结构包括连通的直波导段、波导连接段以及电子注通道；

利用三维电磁场模拟软件，将慢波结构的直波导段的两侧边界由直线边界改变为向内凹陷的弧形边界，以提高耦合阻抗。

本发明的有益效果为：

本发明提供的细腰形折叠波导慢波结构整体结构简单，在弧形弯曲边界折叠波导慢波结构的基础上，将直波导改变成中间逐渐变细的弧形结构，增加了电子注通道附近的电场强度，从而能够进一步提升慢波结构的耦合阻抗幅，提升幅度可达到15％以上。另外，相比于弧形弯曲边界折叠波导慢波结构，该新型结构弱化了波导横截面波导间交接处产生的突变，甚至当设计合适时可以消除因内外圆弧圆心移动产生的突变，降低了电磁信号的反射，有利于互作用电路的端口匹配，适用于短毫米波及太赫兹器件增益和效率的提高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1是现有的常规折叠波导慢波结构的整体结构示意图。

图2是现有的常规折叠波导慢波结构的单周期结构示意图。

图3是本发明细腰形折叠波导慢波结构的单周期结构图。

图4是本发明的细腰形折叠波导慢波结构的整体结构示意图。

图5是常规折叠波导、弧形弯曲边界折叠波导慢波结构和细腰形折叠波导慢波结构的色散对比曲线图。

图6是常规折叠波导、弧形弯曲边界折叠波导慢波结构和细腰形折叠波导慢波结构的耦合阻抗对比曲线图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了进一步提高现有折叠波导慢波结构电子注与电磁波互作用效率和减小电路因突变产生的反射，实现提升器件功率和效率的发明目的。本发明提供一种细腰形折叠波导慢波结构，结合图1至图6所示，具体地所述细腰形折叠波导慢波结构包括周期性结构的多个折叠波导单元和电子注通道；所述折叠波导单元包括直波导段和波导连接段，形成所述折叠波导单元和电子注通道的金属栅具有朝向所述直波导段的弧面突出结构；该细腰形折叠波导慢波结构的几何周期为p；该结构具有更高的耦合阻抗、易于加工、且在波导横截面几乎没有发生突变等特点，可适用于短毫米波及太赫兹行波管互作用电路。该结构在常规折叠波导的基础上，首先将弯曲波导的内外弧圆心上下偏移，形成弧形弯曲波导边界折叠波导慢波结构，波导结构记作10，内外弧形边界分别记作102和101，直波导边界分别记作104和103；然后，将直波导改变成中间逐渐变细的弧边波导，即所述直波导段的窄边长度b由两端到中间逐渐变小，并在两侧形成两个弧状凹陷结构，分别记作20和30，弧形边界分别记作201和301。进一步的，本发明的所述波导连接段包括内圆弧102和外圆弧101；所述直波导段包括内弧边301和外弧边201。

在一具体实施例中，所述弧面突出结构关于所述电子注通道轴线对称；同一直波导段上的两个弧面突出结构对称设置；且分别位于相邻两直波导段上的弧面突出结构关于所述折叠波导单元的中轴线对称，该中轴线可将折叠波导单元分为对称的两部分。

需要说明的是，在图2中的横截面交界点E

在一具体实施例中，所述直波导段的两侧边界为弧形边界；所述弧形边界所对应的半径为R

更具体的，设外弧边201的半径尺寸为R

在一具体实施例中，所述弧面突出结构的宽度等于直波导段的长边长度a，也就是说，弧面突出结构沿着直波导段的长边延伸方向贯穿了直波导段。

为了避免外弧边201和内弧边301在中间位置产生重合，直波导段的窄边长度为b，外弧边201的半径与内弧边301的半径需要在一定的范围内，当h≥2b时，半径R

结合图2和图3所示，O为半圆弧的圆心，O

本发明还提供一种行波管，该行波管包括如上所述的细腰形折叠波导慢波结构。

本发明还提供一种细腰形折叠波导慢波结构设计方法，该设计方法包括以下步骤：根据需要设计初始折叠波导慢波结构，该初始折叠波导慢波结构包括连通的直波导段、波导连接段以及电子注通道；利用三维电磁场模拟软件，将慢波结构的直波导段的两侧边界由直线边界改变为向内凹陷的弧形边界，以提高耦合阻抗。

综上所述，本发明提供的细腰形折叠波导慢波结构整体结构简单，在弧形弯曲边界折叠波导慢波结构的基础上，将直波导改变成中间逐渐变细的弧形结构，增加了电子注通道附近的电场强度，从而能够进一步提升慢波结构的耦合阻抗幅，提升幅度可达到15％以上。另外，相比于弧形弯曲边界折叠波导慢波结构，该新型结构弱化了波导横截面波导间交接处产生的突变，甚至当设计合适时可以消除因内外圆弧圆心移动产生的突变，降低了电磁信号的反射，有利于互作用电路的端口匹配，适用于短毫米波及太赫兹器件增益和效率的提高。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。