一种弱反射型折叠波导慢波结构的制作方法

1.本发明涉及微波真空电子技术领域，特别是一种弱反射型折叠波导慢波结构。


背景技术：

2.基于真空电子学原理的行波管在雷达探测、宽带卫星通信、电子对抗等领域具有广泛的应用前景，其相比于基于固体电子原理的放大器具有大输出功率、宽频带与高效率等特点，能够满足目前大多数大功率电磁发射系统的需求。通常而言，行波管主要由慢波结构(慢波线)、电子枪、磁聚焦系统、能量输入输出耦合结构以及降压收集级构成。其中，慢波结构是行波管的核心组件，它是电子注与电磁波换能的主要场所，其物理特性可以直接决定器件的性能表现。
3.在微波频段，常见的慢波结构主要包括螺旋线结构和耦合腔结构两大类。螺旋线慢波结构具有工作带宽、低同步电压、高互作用效率等优势，但由于尺寸共度效应导致它本身在毫米波、太赫兹波段的加工比较困难；耦合腔慢波结构为全金属腔体结构，其具有很高的耦合阻抗，能够容纳很大的功率且散热良好，但它工作带宽较窄，使得其在宽频带的场景下应用受限。折叠波导慢波结构具有宽频带、易加工等优势，被广泛应用于毫米波、太赫兹行波管的设计中。然而，由于其在电子注通道内的纵向电场强度较弱，使得常规折叠波导慢波结构的耦合阻抗偏低，进而会导致基于常规折叠波导慢波结构的行波管输出功率受限、器件电子效率偏低。为进一步提升折叠波导慢波结构的耦合阻抗，脊加载折叠波导、偏心圆弧折叠波导等变形折叠波导慢波结构被提出来，用于设计毫米波、太赫兹行波管。
4.参考图1，脊加载折叠波导慢波结构是通过在折叠波导慢波结构的直波导段内壁上加载金属脊片；再沿着慢波结构的对称轴线，在金属壁上从头至尾打孔，形成电子注通道。由于脊的加载，波导间隙的场在一定程度上得到了增强，当电子注沿着电子注通道传输经过波导间隙时，会受到更强的电磁场力作用，从而使得电磁场和电子注之间的能量交换可以进行地更充分，高频场能量可以得到更有效地放大。
5.发明人经过研究发现，脊加载折叠波导慢波结构的缺点在于，由于在直波导段内壁上加载金属脊片会引入阻抗不连续点，引起慢波结构中的阻抗不匹配，因而电磁波在传输过程中会形成反射，导致此种慢波结构传输特性的恶化。因此，相比于折叠波导行波管，脊加载折叠波导行波管的工作带宽受限，产生自激振荡的风险较高。
6.为提升常规折叠波导的耦合阻抗，改变第一阻带的频率范围，一种偏心圆弧折叠波导慢波结构(如图2所示)被提出(folded waveguide slow wave structure with modified circular bends，ieee transactions on electron devices,vol.61,no.10,october 2014)。类似于脊加载折叠波导慢波结构，这种慢波结构通过改变电子注通道内的纵向电场分布进而提升耦合阻抗。
7.但是，发明人经过研究发现，该偏心圆弧折叠波导慢波结构的缺点在于，由于在偏心圆弧折叠波导慢波结构中直波导段与偏心圆弧弯折段的横截面有所不同，直波导段与偏心圆弧弯折段之间容易存在阻抗不匹配，会导致这种慢波结构的传输反射较大。与脊加载
折叠波导慢波结构类似，相比于折叠波导行波管，偏心圆弧折叠波导行波管的工作带宽受限，产生自激振荡的风险也较高。
8.因鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种弱反射型折叠波导慢波结构，提升常规折叠波导慢波结构的耦合阻抗同时降低慢波结构中的反射系数。
10.为解决上述问题，本发明实施例提供一种弱反射型折叠波导慢波结构，包括直波导段和弯折区，在所述直波导段和所述弯折区之间设有阻抗匹配区，以用于所述直波导段与所述弯折区域之间的阻抗匹配连接。
11.进一步地，所述阻抗匹配区在垂直于所述直波导段宽面的剖面上形成的截面为三角形。
12.进一步地，所述弯折区包括内圆弧和外圆弧，所述内圆弧向着靠近所述慢波结构的电子注入通道的一侧偏心，所述外圆弧为180度的非偏心圆弧。
13.进一步地，所述慢波结构按照如下几何约束构造：
[0014][0015]
其中，a为折叠波导的宽边宽度，b为折叠波导的窄边宽度，p为折叠波导的半周期长度，h1为阻抗匹配区的长度，h
in
为弯折区的内圆弧采用的向内偏心距离。
[0016]
进一步地，所述慢波结构还满足如下几何约束：h1＝h
out
，其中h
out
为弯折区域的外圆弧圆心的偏心距离。
[0017]
进一步地，弯折区外圆弧的半径r
out
满足：r
out
＝0.5(p b)。
[0018]
进一步地，弯折区域偏心内圆弧的半径r
in
满足：
[0019]
由于在本发明方案中弱反射型折叠慢波结构引入了阻抗匹配段，实现了良好的阻抗匹配，因此慢波结构具有良好的射频传输特性；同时，与相同物理尺寸的常规折叠波导、偏心圆弧折叠波导慢波结构相比，本发明方案具有优良反射性能；而与相同物理尺寸的常规折叠波导相比，本发明方案与常规折叠波导相比耦合阻抗明显提升，基于本发明方案的行波管将具有更大的输出功率、更高的互作用效率、更低振荡风险等物理性能优势。
附图说明
[0020]
图1为现有的一种脊加载折叠波导慢波结构的结构示意图；
[0021]
图2为现有的一种偏心圆弧折叠波导慢波结构的结构示意图；
[0022]
图3为本发明实施例提供的一种弱反射型折叠波导慢波结构的侧剖结构示意图；
[0023]
图4为本发明实施例提供的一种弱反射型折叠波导慢波结构的立体结构示意图；
[0024]
图5为本发明实施例的慢波结构与常规折叠波导的归一化相速对比图；
[0025]
图6为本发明实施例的慢波结构与常规折叠波导的耦合阻抗对比图；
[0026]
图7为本发明实施例的慢波结构与常规折叠波导和偏心圆弧折叠波导慢波结构的反射参量对比图。
[0027]
图中：1-直波导段；2-弯折区域；3-阻抗匹配区；4-电子注通道。
具体实施方式
[0028]
下面将参考附图中示出的若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，描述这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。
[0029]
在本发明的实施例的描述中，术语“包括”及其类似用语应当理解为开放性包含，即“包括但不限于”。术语“基于”应当理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”或“该实施例”应当理解为“至少一个实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
[0030]
如前文所述，在现有技术中，脊加载折叠波导慢波结构和偏心圆弧折叠波导慢波结构都存在各自的缺点。然而，在本发明提供下文的技术方案解决上述缺点和问题之前，相关技术中并没有发现上述问题，也没有发现产生上述问题的内在原因。
[0031]
鉴于此，发明人不仅发现了上述两种慢波结构存在的技术问题，还对以上技术问题展开了研究和剖析。发明人经过研究发现，造成上述问题的内在原因，利用巧妙的技术构思进行了解决。
[0032]
下面，将结合发明人做出本发明改进时的思考过程，对本发明的技术方案进行介绍，应当理解的是，有关思考过程的部分是也是发明人创造性劳动的一部分。
[0033]
本发明实施例提供的慢波结构是行波管的组分部分，行波管主要由慢波结构、电子枪、磁聚焦系统、高频输入输出结构以及降压收集级构成。在行波管工作过程中，电子枪发射出电子注与慢波结构中的电磁场发生能量交换；在磁聚焦系统中，利用磁场力来抵消电子注中存在的空间电荷排斥力，约束电子注使其能顺利通过整个慢波结构而不被截获；慢波结构的主要作用是传输高频电磁波并将电磁波的相速降到与电子注的注入速度相近，是实现注-波互作用的主要场所，调制电子注使其交出能量给高频电磁场。高频输入输出结构的主要作用是将高频输入信号能量耦合到慢波结构中，并将已经放大的高频信号能量耦合到输出回路上去；收集级则是用来收集已经和电磁场换能完毕的电子，电子打在收集级时将转化为热能耗散掉。
[0034]
正如前文提到，慢波结构是行波管中的核心组件，其色散特性、耦合阻抗以及射频传输特性对于器件的性能表现起到关键性作用。色散特性是慢波结构的关键特性之一，它可以决定行波管的同步工作电压、工作带宽等指标；耦合阻抗是慢波结构的另一关键特性，它通常取决于电子注通道内的纵向电场强度、传输功率流等参量，耦合阻抗关系到到行波管的输出功率、互作用效率、输出增益等一系列重要指标；此外，在毫米波、太赫兹波段慢波结构的传输性能恶化明显，传输损耗增大会降低器件的互作用效率和增益，而反射性能变差会增加高增益行波管中的自激振荡风险，故慢波结构本身的射频传输特性也很大程度上决定了器件的物理性能。
[0035]
发明人发现，常规折叠波导慢波结构具有合适的射频传输性能，但其耦合阻抗偏低导致常规折叠波导行波管的输出功率和电子效率偏低；发明人还发现，现有技术中所提出的脊加载折叠波导慢波结构与偏心圆弧折叠波导慢波结构均可以实现电子注通道内部的纵向电场增强，但由于慢波结构的弯曲段与直波导段之间存在阻抗不匹配会引起反射系
数的增大，导致基于此类慢波结构的行波管自激振荡风险增加。
[0036]
因鉴于此，本发明实施例提供一种弱反射型折叠波导慢波结构，如图3和图4中所示。与现有技术有所不同，本发明实施例在折叠波导慢波结构的直波导段1与弯折区域2之间加入一段截面为三角形的阻抗匹配区3(截面为从竖向剖开的截面，即剖面和直波导段1的宽面相垂直，和电子注入通道4的轴线重叠或平行)，用来实现直波导段1与弯折区域2之间的阻抗匹配连接，以降低慢波结构中传输反射。在一个实施例中，阻抗匹配区3为外壁为金属材料的腔体结构。此外，在一个实施例中，该阻抗匹配区3的底面，是从直波导段1内壁的一侧顶边延伸到另一侧顶边而形成的连续平面，该阻抗匹配区3的垂直面，是从直波导段1靠近慢波结构外侧的内壁的顶边起，向上按照设计的长度延伸而形成的连续平面。该阻抗匹配区3的斜面，是从该阻抗匹配区3的垂直面的顶边起，延伸到该阻抗匹配区3底面靠近慢波结构内侧的边而形成的连续平面，从而使得阻抗匹配区3的截面构成三角形。
[0037]
进一步地，为了提升慢波结构在电子注通道4内的纵向电场强度，弯折区域2的内圆弧采用向内偏心(圆心靠近电子注通道侧)圆弧设计，而弯折区域2的外圆弧采用非偏心的180度圆弧曲线来实现与阻抗匹配区的平顺连接，确保在慢波结构耦合阻抗提升的同时反射不恶化。
[0038]
在一个实施例中，本发明的弱反射型折叠波导慢波结构的尺寸如图3、图4中所示，折叠波导的宽边为a，折叠波导的窄边为b，直波导段的长度为h，折叠波导的半周期长度为p，电子注通道直径为d，阻抗匹配区的长度为h1，弯折区域的内圆弧采用向内偏心距离(oo1)为h
in
，弯折区域的外圆弧圆心的偏心距离(oo2)为h
out
，弯折区域内圆弧的半径为r
in
，弯折区域外圆弧的半径为r
out
。o为相邻的直波导段的外壁顶边之间的中心点，也就是弯折区内圆弧如果按照180度圆弧非偏心构造时的圆点。o2是弯折区外圆弧圆心，o1是弯折区内圆弧圆心。
[0039]
以上结构参数需满足以下几何约束关系：
[0040]
1、为满足电磁波在传输过程中保持主模te
10
模式传输且阻抗匹配区可以实现阻抗匹配效果，阻抗匹配区的长度h1需要满足以下关系：
[0041][0042]
2、为保证弯折区域的外圆弧阻抗匹配区的平顺连接，阻抗匹配区的长度h1同时需要满足：h1＝h
out
；
[0043]
3、弯折区域外圆弧的半径为r
out
需满足：r
out
＝0.5(p b)；
[0044]
4、弯折区域偏心内圆弧的半径为r
in
需满足：
[0045]
实施例1
[0046]
以w波段毫米波行波管的慢波结构为例，选取宽边长度a为1.8mm，折叠波导窄边b为0.3mm，直波导段长度h为0.52mm，折叠波导半周期长度p为0.6mm，电子注通道直径d为0.48mm，阻抗匹配区长度h1为0.05mm，弯折区域的内圆弧采用向内偏心距离h
in
为0.1mm，弯折区域的外圆弧圆心偏心距离h
out
为0.05mm。
[0047]
通过仿真结果可以发现(如图5中所示)，在相同尺寸结构的条件下，本发明相比于常规折叠波导具有更高的归一化相速，更平坦的色散曲线，这预示着基于本发明方案慢波
结构的行波管将具有更高的同步电压、更宽的同步带宽。
[0048]
如图6中所示，可以看到本发明实施例的慢波结构在工作频带内的耦合阻抗明显高于常规折叠波导，在典型频率94ghz处的耦合阻抗高于常规正弦波导约37.5％，这预示着基于本发明实施例的慢波结构的行波管将具有更大的输出功率、更高的互作用效率和输出增益。
[0049]
利用上面所给出本发明实施例中弱反射型折叠慢波结构的结构参数，选取主周期为23个，设置有效电导率为2.25
×
107s/m。在电磁仿真软件中建立传输特性计算模型，通过软件中时域仿真进行求解可以得到弱反射型折叠慢波结构传输参量的仿真计算结果，并与常规折叠波导、现有方案-2中的偏心圆弧折叠波导慢波结构进行对比，如图7中所示。在88-102ghz工作频带范围内，弱反射型折叠慢波结构的反射参量小于-23.7db，低于常规折叠波导与弱反射型折叠慢波结构10db，这表明本发明方案中弱反射型折叠慢波结构具有良好的射频传输性能。
[0050]
通过本发明中实施例的仿真分析结果可以看到，由于在本发明方案中弱反射型折叠慢波结构引入了阻抗匹配段实现了良好的阻抗匹配，此慢波结构具有良好的射频传输特性；同时，与相同物理尺寸的常规折叠波导、偏心圆弧折叠波导慢波结构相比，本发明方案具有优良反射性能；而与相同物理尺寸的常规折叠波导相比，本发明方案与常规折叠波导相比耦合阻抗明显提升，基于本发明方案的行波管将具有更大的输出功率、更高的互作用效率、更低振荡风险等物理性能优势。
[0051]
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。