一種具有內(nèi)徑尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】一種具有內(nèi)徑尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，屬于微波真空電子器件領(lǐng)域，沿慢波結(jié)構(gòu)軸線的電子注通道由傳統(tǒng)的均勻圓柱形變?yōu)閮?nèi)徑尺寸漸變的圓錐形；電子注通道橫截面尺寸沿縱向逐漸遞減，形成互作用區(qū)中電磁場強度沿縱向逐漸增強；通過模擬選擇、調(diào)整徑向尺寸實現(xiàn)遞減電子注通道的角度優(yōu)化，以實現(xiàn)通道中電子注更充分的將能量交給電磁場，提高了互作用阻抗以及電子注逐漸接近電子注通道邊緣的強場區(qū)，器件輸出功率性能得到了提高。
【專利說明】一種具有內(nèi)徑尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波真空電子器件領(lǐng)域，具體涉及到一種具有尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]在短毫米波段(40GHz-300GHz)和太赫茲頻域(300GHz_3000GHz)，利用線性注真空電子器件可以產(chǎn)生大功率和小型化的太赫茲真空輻射源，如返波振蕩器、擴展互作用器件和行波器件等。隨著工作頻率的提高，所采用慢波結(jié)構(gòu)的特征尺寸逐漸減小。因而，為了獲得高功率輸出，在大電流密度電流產(chǎn)生和維持、高精度加工工藝和高對中要求等技術(shù)問題上受到限制。在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，電子注在經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)時會發(fā)生比較嚴(yán)重的截獲現(xiàn)象，截獲造成的低流通率會降低器件的功率和效率等關(guān)鍵性能指標(biāo)。雖然在實際研制中可以采取讓電子注集中在電子注通道中心區(qū)域的方法來提高流通率，但由于遠(yuǎn)離電子注通道邊界部分會顯著的降低耦合阻抗，這種設(shè)計方法仍將限制器件的輸出功率。
[0003]在有待開發(fā)的新型慢波結(jié)構(gòu)中，除了完成傳統(tǒng)慢波結(jié)構(gòu)的降低電磁波相速度使之與電子保持同步的作用外，首先，利用所研發(fā)的尺寸遞減電子注通道沿縱向不斷增強互作用區(qū)的縱向電磁場，其次，電子注行進(jìn)的路徑經(jīng)過通道邊緣強場區(qū)，增強電子注和電磁波之間的能量交換，最后，利用全金屬慢波結(jié)構(gòu)散熱能力強的特點，完成收集部分甚至全部換能后電子的功能，由于電子已經(jīng)將能量傳輸給電磁波，此時功率不再與流通率直接相關(guān)。針對短毫米波及太赫茲輻射源增大功率和提高效率的需求，通過新型尺寸遞減電子注通道結(jié)構(gòu)，使電子注在行進(jìn)時每一層電子注都不斷的接近電子注通道邊界所處的強場區(qū)，從而獲得持續(xù)的、更有效的注-波互作用，可以通過改變電子注通道尺寸遞減程度的方法，提高電子交出的能量，本申請研發(fā)了這種帶有創(chuàng)新電子注結(jié)構(gòu)的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，當(dāng)器件工作頻率逐漸提高時，所采用慢波結(jié)構(gòu)的尺寸將逐漸減小，這就會降低電真空器件中電子注流通率和輸出功率。為了克服這些困難，就需要創(chuàng)新的研發(fā)一種新型的具有尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，來替代傳統(tǒng)慢波結(jié)構(gòu)的柱形電子注通道。
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種具有尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)本發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種具有內(nèi)徑尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，沿慢波結(jié)構(gòu)軸線的電子注通道由傳統(tǒng)的均勻圓柱形變?yōu)閮?nèi)徑尺寸漸變的圓錐形；電子注通道橫截面尺寸沿縱向逐漸遞減，形成互作用區(qū)中電磁場強度沿縱向逐漸增強；通過模擬選擇、調(diào)整徑向尺寸實現(xiàn)遞減電子注通道的角度優(yōu)化，以實現(xiàn)通道中電子注更充分的將能量交給電磁場。
[0007]優(yōu)化作用使每一層電子注在行進(jìn)中都盡可能長時間處在通道邊緣的強場區(qū)，可實現(xiàn)電子注更充分的將能量交給電磁場，換能后電子的截獲不影響輸出功率，利用全金屬折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱管理。本發(fā)明可以提高太赫茲輻射源的電子效率和輸出功率性能。
[0008]本發(fā)明的有益效果是，提高了互作用阻抗以及電子注逐漸接近電子注通道邊緣的強場區(qū)，器件輸出功率性能得到了提高。利用換能后電子的截獲不影響輸出功率，同時基于全金屬折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的良好散熱能力，避免了傳統(tǒng)器件在太赫茲頻域出現(xiàn)的低電子流通率造成的功率性能下降的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的剖面圖；
[0010]圖2為本發(fā)明一種徑向尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0011]圖3為本發(fā)明徑向尺寸遞減電子注通道對折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)耦合阻抗的影響；
[0012]圖4為本發(fā)明電子注通道不同位置對折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)耦合阻抗的影響；
[0013]圖5為電子注在行進(jìn)中從外到內(nèi)各層電子逐漸進(jìn)入電子注通道邊緣的強場區(qū)示意圖；
[0014]圖6為采用本發(fā)明慢波結(jié)構(gòu)的器件的振蕩功率；
[0015]圖7為同尺寸傳統(tǒng)折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)振蕩功率性能比較；
具體實施方案
[0016]為了清楚說明這種具有徑向尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的效果，特舉出以下實例，設(shè)定結(jié)構(gòu)尺寸 a = 1.9mm, b = 0.3mm, p = 0.7mm, h = 0.7mm, d = 0.44mm。利用三維電磁軟件對本發(fā)明的一種徑向尺寸遞減電子注通道的全金屬慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，計算得到電子注通道尺寸以及通道內(nèi)不同位置的耦合阻抗，模擬了采用會聚型電子注通道的全金屬慢波結(jié)構(gòu)器件的性能，此時，電子注通道入口處直徑為0.44_、出口處為0.16mm的圓錐形。將模擬結(jié)果與相同幾何尺寸的傳統(tǒng)慢波結(jié)構(gòu)的注波互作用結(jié)果進(jìn)行對比，慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗模擬和器件模擬結(jié)果已分別在附圖中表示。可以看出在同樣的互作用長度條件下，功率增加到原數(shù)值的1.5倍。下面結(jié)合附圖具體說明:
[0017]參照圖1，表示傳統(tǒng)折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的剖面圖，波導(dǎo)的寬邊長為a，b為波導(dǎo)的窄邊長，幾何周期為2p，直波導(dǎo)高度為h，圓柱形電子注通道直徑為d。
[0018]參照圖2，為本發(fā)明一種徑向尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)剖面圖，波導(dǎo)的寬邊長為a，b為波導(dǎo)的窄邊長，幾何周期為2p，直波導(dǎo)高度為h，圓錐形電子注通道入口處直徑為Cl1，出口處直徑為d2，其夾角為Θ，其中，(I1)Cl2, d2 ^ O。
[0019]參照圖3，為本發(fā)明徑向尺寸遞減電子注通道對折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)耦合阻抗的影響，慢波結(jié)構(gòu)軸線耦合阻抗K。隨著電子注通道直徑d的減小而增大，變化趨勢近似為線性變化，因此圓錐形電子注通道會使得慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗沿著電子注行進(jìn)的方向不斷增力口，也就是說在互作用區(qū)能夠建立起注波互作用所需要的更大的縱向電磁場。
[0020]參照圖4，為本發(fā)明電子注通道不同位置對折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)耦合阻抗的影響，由于電磁波在電子注通道中呈凋落變化，在中心即軸線位置耦合阻抗&為最小值，當(dāng)位置沿X軸和Y軸向通道邊緣移動時，耦合阻抗值不斷增大，到達(dá)通道邊緣耦合阻抗達(dá)到最大值。
[0021]參照圖5，為電子注在行進(jìn)中從外到內(nèi)各層電子逐漸進(jìn)入電子注通道邊緣的強場區(qū)示意圖，通過電子注通道末端直徑的選取可以讓更多的電子進(jìn)入到強場區(qū)，通過電子注通道距離的優(yōu)化可以讓進(jìn)入到強場區(qū)的電子行進(jìn)足夠長的時間，以將其能量充分的交給電磁場，獲得更大的輸出功率。
[0022]參照圖6，為采用本發(fā)明慢波結(jié)構(gòu)的一種振蕩器性能，一種尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的尺寸如下:a = 1.9mm, b = 0.3mm, p = h = 0.7mm, dl = 0.44mm, d2 =
0.16mm。利用三維電磁軟件對使用了本發(fā)明的一種尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的振蕩器進(jìn)行了模擬，計算得到振蕩功率Pout。
[0023]參照圖7，給出了相同幾何尺寸傳統(tǒng)慢波結(jié)構(gòu)的振蕩器輸出功率和振蕩頻率，采用本發(fā)明慢波結(jié)構(gòu)后，振蕩器的輸出功率從135W提高到209W，功率提高幅度達(dá)到55%，振蕩頻率只變化了 0.8%，振蕩達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間減小了 50%，因此只需要進(jìn)行簡單的幾何尺寸或電壓調(diào)整，利用本新型結(jié)構(gòu)的器件就可以實現(xiàn)相同振蕩頻率條件下輸出功率的大幅提升；模擬結(jié)果說明本發(fā)明所述的新型慢波結(jié)構(gòu)為核心的微波電真空器件能夠?qū)崿F(xiàn)更大的功率，同時避開了需要提高電子流通率的技術(shù)難題，由于采用了全金屬慢波結(jié)構(gòu)，電子截獲所產(chǎn)生的熱能可以得到有效的管理，不致?lián)p毀。
【權(quán)利要求】
1.一種具有內(nèi)徑尺寸遞減電子注通道的折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，沿慢波結(jié)構(gòu)軸線的電子注通道由傳統(tǒng)的均勻圓柱形變?yōu)閮?nèi)徑尺寸漸變的圓錐形；電子注通道橫截面尺寸沿縱向逐漸遞減，形成互作用區(qū)中電磁場強度沿縱向逐漸增強；通過模擬選擇、調(diào)整徑向尺寸實現(xiàn)遞減電子注通道的角度優(yōu)化，以實現(xiàn)通道中電子注更充分的將能量交給電磁場。
【文檔編號】H01J23/24GK104183444SQ201410319231
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】蔡軍, 馮進(jìn)軍, 鄔顯平 申請人:中國電子科技集團公司第十二研究所