慢波结构及其制备方法、慢波电路

本公开涉及微波、毫米波电真空器件，尤其涉及一种慢波结构及其制备方法、慢波电路。

背景技术：

1、太赫兹行波管作为大功率太赫兹源，因具有功率大、效率高、带宽宽等特点。随着行波管产品在主要大气窗口的大功率、高效率、宽频带电磁波放大能力的不断提升，将推动各类先进的短毫米波和太赫兹设备走向实际应用。太赫兹行波管的工作原理与传统行波管一致，均是依靠和电磁波同步的电子把能量交给电磁波而实现放大，主要包含电子枪、高频互作用系统、收集极，输入输出装置和磁聚焦系统。

2、因为尺寸共度效应的存在，微波功率器件越到了高频段，其结构尺寸越细小，比如220 ghz行波管的慢波电路的宽度只有0.12 mm左右，而1.03 thz对应的则为0.03 mm左右。传统的加工方式，如精密微铣削，精密电火花，深反应离子刻蚀（drie），紫外光刻（uv-liga）等，或多或少的存在加工极限尺寸，粗糙度，几何精度，残余应力，效率和成本方面的缺陷。缺少优质的高频互作用组件，成为了当前太赫兹微波功率器件研制面临的主要障碍。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提供了一种慢波结构及其制备方法、慢波电路，能够提高驻波互作用的效率。

2、作为本公开实施例的一个方面，提供了一种慢波结构，包括多个贯穿层，分别具有贯穿通孔；以及多个凸出层，与多个上述贯穿层沿电子束的行进方向交替安装，每个凸出层具有限制通孔；其中，多个上述限制通孔与多个上述贯穿通孔形成在上述行进方向上连通的、蛇形的慢波通道，使得入射到慢波通道的电磁波在上述慢波通道的作用下减速，以与上述电子束中的电子行进速度匹配。

3、根据本公开的实施例，上述多个凸出层包括多个第一凸出层和多个第二凸出层，多个上述贯穿层与多个上述第一凸出层、多个上述第二凸出层形成多个沿上述行进方向周期设置的周期组件，每个上述周期组件包括：两个贯穿层；第一凸出层，安装在上述两个贯穿层之间；以及第二凸出层，安装在两个上述贯穿层中的一个的与上述第一凸出层相对的一侧，使上述第一凸出层的第一限制通孔和上述第二凸出层的第二限制通孔分别位于一个上述贯穿通孔的两侧；其中，上述第一限制通孔和上述第二限制通孔均小于上述贯穿通孔、并且在上述贯穿通孔的相对的两侧与上述贯穿通孔叠置，以形成交错双栅慢波结构。

4、根据本公开的实施例，多个上述贯穿通孔中的部分贯穿通孔和/或多个限制通孔中的部分限制通孔相对于其他的贯穿通孔和限制通孔，在与上述电子束的行进轨迹的行进轴线垂直的平面内具有绕上述行进轴线旋转的夹角，以动态调整慢波的形状和方向。

5、根据本公开的实施例，至少一个上述凸出层的厚度与其他上述凸出层的厚度不同，和/或至少一个上述贯穿层的厚度与其他上述贯穿层的厚度不同，使上述慢波通道的周期形成跳变，以抑制震荡。

6、根据本公开的实施例，多个上述凸出层的厚度和多个上述贯穿层的厚度沿上述电子束的行进方向逐渐减小，使上述慢波通道的周期沿上述行进方向逐渐减小，以进一步降低上述电磁波的传播速度，使上述传播速度进一步与上述电子束中的电子的行进速度匹配。

7、根据本公开的实施例，每个上述贯穿层与每个上述凸出层上分别设有安装孔，以通过外部的安装杆依次穿过上述安装孔将多个上述贯穿层和多个上述凸出层连接。

8、作为本公开实施例的另一个方面，提供了一种慢波电路，包括：安装组件；两个波导组件，其中一个上述波导组件作为输入波导，另一个上述波导组件作为输出波导，其中，每个上述波导组件具有允许电磁波传输的电磁波通道和允许电子束传输的电子通道；以及上述任一种慢波结构，通过上述安装组件安装在两个上述波导组件之间，上述慢波结构的输入端口与上述输入波导的第一电磁波通道和第一电子通道连通，输出端口与上述输出波导的第二电磁波通道和第二电子通道连通。

9、根据本公开的实施例，两个上述波导组件中的至少一个包括传输波导，内部形成沿上述行进方向延伸的与上述慢波通道贯通的上述电子通道；以及端面波导，抵靠在上述传输波导与上述慢波结构之间；其中，上述传输波导的与上述端面波导相邻的一侧向远离上述慢波结构的方向凹陷，与上述端面波导之间形成与上述慢波通道贯通的上述电磁波通道。

10、根据本公开的实施例，上述安装组件包括多个安装杆和多个紧固件，多个安装杆中的至少两个上述安装杆从两个上述波导组件中的一个、穿过上述慢波结构通过与多个上述紧固件配合安装在两个上述波导组件中的另一个上。

11、作为本公开实施例的又一个方面，提供了一种上述任一种慢波结构的制备方法，包括：

12、获取电子束的电子轨迹；

13、根据上述电子轨迹确定慢波结构的长度；

14、沿垂直于上述电子轨迹的方向进行切片，分别确定多个贯穿层的厚度和多个凸出层的厚度，并根据上述长度分别确定上述贯穿层和上述凸出层的数量；

15、根据多个上述贯穿层的厚度确定多个第一箔材，根据多个上述凸出层的厚度确定多个第二箔材；

16、在多个上述第一箔材上分别开设贯穿通孔和定位孔，以制备多个上述贯穿层；

17、在多个上述第二箔材上分别开设限制通孔和定位孔以制备多个凸出层，其中，将多个凸出层中的一部分作为第一凸出层，将多个凸出层中的另一部分作为第二凸出层，上述限制通孔小于上述贯穿通孔；

18、定位件穿过每个上述贯穿层、每个上述第一凸出层和每个上述第二凸出层上的上述定位孔，将每两个上述贯穿层、上述第一凸出层和上述第二凸出层交替设置，使第一限制通孔和第二限制通孔在上述贯穿通孔的相对的两侧与上述贯穿通孔叠置；以及

19、焊接相邻的上述贯穿层和上述凸出层之间的接触面，以形成慢波结构。

20、根据本公开实施例的慢波结构，采用多个贯穿层和多个凸出层的灵活组合，可以根据电子束的电子轨迹的撕裂特征，使贯穿通孔和限制通孔预先进行在与电子束的行进轴线垂直的平面内绕行进轴线的角向旋转，以动态调整慢波的形状和方向，增加电磁波与电子的注波互作用距离，从而增加电子注的填充比例，使其接近甚至达到理论的电子填充比极限。这意味着更多的电子可以参与到与电磁波的能量交换过程中，从而提高行波管的放大效率和输出功率。由于电子注填充比的提高，使得基于本公开提供的慢波结构的太赫兹行波管能够提供更高的输出功率，这对于需要大功率输出的应用场景来说具有重要意义。并且，通过采用多个贯穿层和多个凸出层的组合，多个贯穿层和多个凸出层可以采用容易的获得微米级的箔材（如铜、银、金等），以能够兼容1 thz甚至是2 thz行波管慢波电路的结构要求，具有较高的频率适应性。

技术特征：

1.一种慢波结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述多个凸出层包括多个第一凸出层和多个第二凸出层，多个所述贯穿层与多个所述第一凸出层、多个所述第二凸出层形成多个沿所述行进方向周期设置的周期组件，每个所述周期组件包括：

3.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，多个所述贯穿通孔中的部分贯穿通孔和/或多个限制通孔中的部分限制通孔相对于其他的贯穿通孔和限制通孔，在与所述电子束的行进轨迹的行进轴线垂直的平面内具有绕所述行进轴线旋转的夹角，以动态调整慢波的形状和方向。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的慢波结构，其特征在于，至少一个所述凸出层的厚度与其他所述凸出层的厚度不同，和/或至少一个所述贯穿层的厚度与其他所述贯穿层的厚度不同，使所述慢波通道的周期形成跳变，以抑制震荡。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的慢波结构，其特征在于，多个所述凸出层的厚度和多个所述贯穿层的厚度沿所述电子束的行进方向逐渐减小，使所述慢波通道的周期沿所述行进方向逐渐减小，以进一步降低所述电磁波的传播速度，使所述传播速度进一步与所述电子束中的电子的行进速度匹配。

6.根据权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，每个所述贯穿层与每个所述凸出层上分别设有安装孔，以通过外部的安装杆依次穿过所述安装孔将多个所述贯穿层和多个所述凸出层连接。

7.一种慢波电路，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的慢波电路，其特征在于，两个所述波导组件中的至少一个包括：

9.根据权利要求7所述的慢波电路，其特征在于，所述安装组件包括：

10.一种如权利要求1-6中任一项所述的慢波结构的制备方法，其特征在于，包括：

技术总结
本公开提供了一种慢波结构及其制备方法、慢波电路，涉及微波、毫米波电真空器件技术领域。该慢波结构包括多个贯穿层和多个凸出层。多个贯穿层分别具有贯穿通孔，多个凸出层与多个贯穿层沿行进方向交替安装，每个凸出层具有限制通孔。其中，多个限制通孔与多个贯穿通孔形成在行进方向上连通的、蛇形的慢波通道，使得入射到慢波通道的电磁波在慢波通道的作用下减速，以与电子束中的电子行进速度匹配。

技术研发人员：王建
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/11/7