一种平顶型正弦波导慢波结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种平顶型正弦波导慢波结构，在正弦波导慢波结构的基础上，适当地压缩窄边尺寸b，压缩的大小等于上下正弦线周期性带状起伏被削顶的高度，使得尺寸参数满足：b<hb+2h，其中hb为带状电子注通道的高度，h为正弦线周期性带状起伏的高度。经测试，本发明平顶型正弦波导慢波结构具有更高的耦合阻抗值，同时色散特性得到了改善，这样克服了传统的耦合阻抗提高，而色散特性降低的缺陷，意味着电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。
【专利说明】
一种平顶型正弦波导慢波结构
技术领域
[0001 ]本发明属于真空电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种平顶型正弦波导慢波结构，适用于毫米波、太赫兹波段真空电子器件。
【背景技术】
[0002]太赫兹波是频率介于微波和红外波段之间的电磁波，其在高速率空间通信、超高分辨率武器制导、医学成像、物质太赫兹光谱特征分析、安全检查、材料检测等等领域有着重要的研究价值和广泛的应用前景。真空电子器件是能够实现大功率太赫兹波辐射源的一种很有潜力的器件。行波管是在真空电子器件中应用比较广泛的一类毫米波、太赫兹辐射源，它具有大功率、高效率、高增益、宽频带和长寿命等特点。慢波结构作为行波管的核心部件，直接决定了行波管的器件性能。
[0003]目前，在太赫兹波段行波管中主要研究的慢波结构主要有折叠波导、矩形交错双栅、双排矩形栅齿等结构。由于在太赫兹波段的工作波长很短、慢波结构的结构尺寸较小，因此加工难度大、加工精度低，使得高频系统的反射大、损耗大。在“适用于0.22THz行波管的正弦波导”(《电子器件快报》2011年，32卷，8号，1152-1154页，作者:许雄，魏彦玉等)一文中研究了一种正弦波导慢波结构(如图1所示)及与之匹配的一种均匀渐变的信号输入、输出耦合器，基于这种简洁、均匀的渐变输入、输出耦合器，正弦波导高频系统具有很小的反射、很低的传输损耗。然而，这种结构在电磁波传输方向上的电场强度相对较弱，因而其親合阻抗较小，从而导致正弦波导行波管的输出功率、互作用效率较小、增益较低和饱和互作用长度较长等缺陷。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中正弦波导耦合阻抗小，提出一种平顶型正弦波导慢波结构，以提高其耦合阻抗，改善色散特性，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。
[0005]为实现上述发明目的，本发明平顶型正弦波导慢波结构，包括:
[0006]—正弦波导，其宽边长度为a，窄边长度为b，纵向(传输方向)上下为以宽边为中心进行起伏的正弦线周期性带状起伏，正弦线周期性带状起伏的高度为h，正弦线周期性带状起伏的周期长度为P，正弦线周期性带状起伏的宽度为a;
[0007]上下正弦线周期性带状起伏之间为带状电子注通道，该带状电子注通道的宽度为正弦波导的宽边长度a，高度为hb;
[0008]其特征在于，所述上下正弦线周期性带状起伏在带状电子注通道方向上的被削顶，变成平顶型，使得尺寸参数满足:b<hb+2h。
[0009]本发明的目的是这样实现的。
[0010]本发明平顶型正弦波导慢波结构，在正弦波导慢波结构的基础上，适当地压缩窄边尺寸b，压缩的大小等于上下正弦线周期性带状起伏被削顶的高度，使得尺寸参数满足:b<hb+2h，其中hb为带状电子注通道的高度，h为正弦线周期性带状起伏的高度。经测试，本发明平顶型正弦波导慢波结构具有更高的耦合阻抗值，同时色散特性得到了改善，这样克服了传统的耦合阻抗提高，而色散特性降低的缺陷，意味着电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。
【附图说明】
[0011]图1是现有技术的正弦波导慢波结构的结构示意图；
[0012]图2是本发明平顶型正弦波导慢波结构的一种【具体实施方式】结构示意图；
[0013]图3是正弦波导慢波结构与平顶型正弦波导慢波结构的色散特性比较图；
[0014]图4是正弦波导慢波结构与平顶型正弦波导慢波结构的耦合阻抗比较图；
[0015]图5是正弦波导慢波结构与平顶型正弦波导慢波结构的反射参数比较图；
[0016]图6是正弦波导慢波结构与平顶型正弦波导慢波结构的传输参数比较图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0018]图1是现有技术的正弦波导慢波结构的结构示意图。
[0019]在本实施例中，现有技术的正弦波导慢波结构如图1所示，a为波导宽边长度，b为波导窄边长度，h为正弦线周期性带状起伏的高度，P为正弦线的周期长度，正弦线周期性带状起伏的宽度为a。在本实施例中，在220GHz频段，结构尺寸为(单位:mm):a = 0.77mm，b =0.57mm,p = 0.46mm，h = 0.215mm，hb = 0.14mm，即b = hb+2h。
[0020]图2是本发明平顶型正弦波导慢波结构的一种【具体实施方式】结构示意图。
[0021]在本实施例中，如图2所示，本发明平顶型正弦波导慢波结构包括正弦波导I，其宽边长度为a，窄边长度为b，纵向(长度方向)上下为以宽边为中心进行起伏的正弦线周期性带状起伏2，正弦线周期性带状起伏2的高度为h，正弦线周期性带状起伏2的周期长度为p，正弦线周期性带状起伏2的宽度为a;
[0022]上下正弦线周期性带状起伏2之间为带状电子注通道，该带状电子注通道的宽度为正弦波导的宽边长度a，高度为hb;
[0023]本发明平顶型正弦波导慢波结构，图2所示，在现有正弦波导慢波结构的基础上，其他尺寸保持不变的情况下，适当的压缩窄边长度b，同时，对上下正弦线周期性带状起伏在带状电子注通道方向上进行削顶，使其变成平顶型，削顶部分的高度为hs，使得尺寸参数满足:b〈hb+2h，即压缩的部分等于上下削顶之和2hs，2hs = hb+2h_b。
[0024]在本实施例中，在220GHz频段，本发明平顶型正弦波导慢波结构的结构尺寸为(单位:mm):a = 0.77mm，b = 0.50mm，p = 0.46mm, h = 0.215mm, hb = 0.14mm，hs = 0.035mm，即 b〈hb+2h，即窄边长度b压缩了 0.07mm，压缩部分正是上下削顶之和2hs = 2 X 0.035mm=0.07mm。
[0025]在本实施例中，作为最佳方案，削顶部分的高度为hs= hb/4。
[0026]针对上述220GHz频段的现有正弦波导慢波结构以及本发明平顶型正弦波导慢波结构，利用三维电磁仿真软件HFSS进行计算，获得其色散特性、耦合阻抗进出比较。同时，利用三维电磁仿真软件CST对两种慢波结构各85个周期进行模拟，获得两种慢波结构的反射参数和传输参数。仿真结果如图3、图4、图5、图6所示，其中，曲线1、曲线3、曲线5、曲线7分别是本发明平顶型正弦波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、反射参数曲线、传输参数曲线；曲线2、曲线4、曲线6、曲线8分别是现有正弦波导慢波结构的色散特性曲线、耦合阻抗曲线、反射参数曲线、传输参数曲线。
[0027]图3是现有正弦波导慢波结构与本发明平顶型正弦波导慢波结构的色散特性比较图。
[0028]在本实施例中，从图3中的曲线I和曲线2相比较可知，本发明平顶型正弦波导慢波结构相比于现有正弦波导慢波结构，在相当宽的频带内(195?235GHz)，本发明平顶型正弦波导慢波结构的归一化相速基本相同，而在高于235GHz的高频段，本发明平顶型正弦波导慢波结构的归一化相速略高，色散特性得到了改善。
[0029]图4是现有正弦波导慢波结构与本发明平顶型正弦波导慢波结构的耦合阻抗比较图。
[0030]在本实施例中，从图4中的曲线3和曲线4相比较可以明显的看出，相比于现有的正弦波导慢波结构，在相当宽的频带内(195?260GHz)，本发明所提供的平顶型正弦波导慢波结构具有更高的耦合阻抗值。说明本发明中平顶型正弦波导慢波结构的耦合阻抗值得到了有效地提高，同时，结合图3，我们可以看出，在耦合阻抗提高的同时，色散特性没有降低，反而有所改善，这意味着电子注与电磁波的互作用能力增加，进而提高行波管的输出功率、增益和互作用效率。
[0031 ]图5是正弦波导慢波结构与平顶型正弦波导慢波结构的反射参数比较图。
[0032]在本实施例中，从图5中的曲线5和曲线6相比较可知，相比于现有正弦波导慢波结构，在195?225GHz频带内，本发明平顶型正弦波导慢波结构的反射系数基本相当。在高于225GHz的频带内，本发明平顶型正弦波导慢波结构具有略低的反射参数。
[0033]图6是正弦波导慢波结构与平顶型正弦波导慢波结构的传输参数比较图。
[0034]在本实施例中，从图6中的曲线7和曲线8相比较可知，相比于现有正弦波导慢波结构，在195?240GHz频带内，本发明平顶型正弦波导慢波结构的传输系数基本相当。在高于240GHz的频带内，本发明平顶型正弦波导慢波结构具有略高的传输参数，这意味着这种新型慢波结构具有与正弦波导慢波结构相当甚至更优良的传输特性。
[0035]结合图5、图6，我们可以看出，本发明平顶型正弦波导慢波结构相对现有正弦波导慢波结构，反射参数、传输参数都没有太大影响，即性能没有降低，本发明平顶型正弦波导慢波结构具有良好的性能。
[0036]尽管上面对本发明说明性的【具体实施方式】进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于【具体实施方式】的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
【主权项】
1.一种平顶型正弦波导慢波结构，包括:一正弦波导，其宽边长度为a，窄边长度为b，纵向(传输方向)上下为以宽边为中心进行起伏的正弦线周期性带状起伏，正弦线周期性带状起伏的高度为h，正弦线周期性带状起伏的周期长度为p，正弦线周期性带状起伏的宽度为a； 上下正弦线周期性带状起伏之间为带状电子注通道，该带状电子注通道的宽度为正弦波导的宽边长度a，高度为hb; 其特征在于，所述上下正弦线周期性带状起伏在带状电子注通道方向上的被削顶，变成平顶型，使得尺寸参数满足:b<hb+2h。2.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述的削顶部分的高度为hs= hb/4。
【文档编号】H01J23/28GK105869971SQ201610346019
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】张鲁奇, 魏彦玉, 徐进, 丁冲, 王媛媛, 赵国庆, 岳玲娜
【申请人】电子科技大学