CN104332374A - 一种太赫兹曲折准平板结构 - Google Patents
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Abstract
一种太赫兹曲折准平板结构，属于真空电子技术领域，涉及太赫兹返波管器件。该结构是在传统的直角曲折波导的基础上将宽边两侧的部分直波导段从头至尾打通形成的，宽边两侧打掉的长度相等，可以分为上下两个盖板，并在两侧有金属壁作为支撑结构。本发明可以使器件工作于短毫米波和太赫兹波段，同时可以有效提高耦合阻抗，提高效率，增加带宽，并且可以有效降低电子注电压，电流。
Description
技术领域
本发明属于微波电真空领域中的返波管器件，具体涉及一种太赫兹曲折准平板结构。
背景技术
太赫兹波通常指的是频率在0.1THz到10THz范围内。波长大概在0.03mm到3mm范围，介于微波和红外之间的一种电磁波。太赫兹技术是目前十分重要的一个交叉学科前沿领域。太赫兹波的独特性质，使其具有广阔的实用前景和重要的科学研究价值生物、医学、物理、化学、和电子信息等学科基础研究领域以及在材料研究、通讯信息、环境科学、光谱学、国家安全等技术领域。2004年美国将它视为“改变未来世界的十大技术”之一；日本也在2005年将太赫兹技术定为“国家支柱十大重点战略目标”之首。太赫兹波有很多种产生方法，而利用电真空器件来做太赫兹源具有巨大的优势。
微波电真空器件以其高频率、大功率、宽频带、高效率和高可靠性等固态期间无法比拟的优势在通信系统特别是在雷达、飞机和卫星上发挥着关键性的作用。在军事领域的某些方面更是有不可替代的作用。
返波管作为微波电真空器件大家族中的一员，是一种目前发展比较成熟的小型化、低造价的真空电子学太赫兹源，具有十分重要的潜在应用价值，国内外很多学者都在努力研究拓展其应用领域。慢波结构作为返波管的核心部件，直接决定了器件的工作性能。在返波管的应用中，比较常见的慢波结构包括矩形栅、交错双栅、正弦波导等，探索新型的慢波结构一直是真空电子器件研究中的重要工作。
曲折波导作为一种全金属的慢波结构，具有功率容量大、带宽性能良好和加工简单等特点，是一种较有前景的太赫兹慢波结构。然而，由于曲折波导是反向波系统，要作为返波管的慢波结构存在一些问题，若工作在基波，那么就需要较高的工作电压，所以曲折波应用到返波管中通常是工作在+1次空间谐波。但是这将导致它的耦合阻抗比较低，效率比较低，要达到一定的输出功率，所需的慢波线长度较长。为此，我们采取的方案是尽可能的降低曲折波导慢波结构的低端截止频率。这样就能实现在较低的工作电压情况下，使其工作在基波，如图（1）所示。对于曲折波导来说，其传输的为，其截止频率所以，增大宽边长度便能降低其低端截止频率。
但是，随着边的逐渐减小，会遇到一系列问题，最主要的有两个。第一，随着边的增大，慢波结构的加工难度增大；第二，边增大后，起振难度增大。
发明内容
为了解决宽边增大后带来的问题, 以及有效降低返波管的调谐电压、降低起振电流、提高调谐频带的宽度、以及提高输出功率，使得返波管具有更大的实用性。
为解决上述技术问题，达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种曲折准平板慢波结构，如图（2）、图（3）所示，它是一种半开放结构，是在一系列直角弯曲波导和直波导首尾相连构成的常规曲折波导的基础上，在宽边的方向上以中点为对称点，在两边分别将部分（长度为）直波导段从头至尾打通，并在波导壁上沿中轴对称线的位置处开有圆形通孔，构成电子注通道，当=0时，该结构就变成常规的曲折波导。具体加工时，可有如图（5）所示的相同的上下两块盖板组合而成，在两边有金属壁或者介质作为支撑结构。
该结构具体的尺寸参数及意义如图（2）、图（4）所示。表示中部曲折波导的宽边长度，表示曲折波导窄边的长度，代表直波导段的高度，表示半周期长度，表示中间电子注通道的半径，表示两边挖去的直波导段的宽度。各个尺寸满足如下关系：>0，2<。
设定曲折准平板慢波结构的尺寸=110，=8，=35，=32，=16，=45。利用电磁仿真软件得到了曲折准平板慢波结构的高频特性，并且与常规曲折波导慢波结构FWG NO1（尺寸：=200，=8，=35，=32，=16），FWG NO2（尺寸：=300，=8，=35，=32，=16），FWG NO3（尺寸：=165，=27，=110，=144，=20，）的高频特性作了比较。如图（6），图（7），图（8）所示。
图（6）为色散曲线，从图中QPP与FWG NO1的比较可以看出在相同的外部尺寸（110+45+45=200）情况下，曲折准平板慢波结构拥有更低的截止频率，这就意味着曲折准平板慢波结构用作返波管慢波结构工作在0次谐时具有更低的工作电压。
图（7）为每个周期的损耗曲线，从中我们可以看出与同尺寸的常规曲折波导慢波结构（FWG NO1）以及不同尺寸的常规曲折波导慢波结构相比，曲折准平板慢波结构（QPP）在更宽的频率范围内具有更低的单位周期长度损耗。
图（8）为耦合阻抗曲线，其中只有FWG NO3是工作在+1次空间谐波的。从图中我们可以看出，工作在基波（0次空间谐波）的时候慢波结构的耦合阻抗要明显大于工作在+1次空间谐波的慢波结构的耦合阻抗。曲折准平面慢波结构在更宽的频率范围内耦合阻抗也是要大于常规曲折波导慢波结构的耦合阻抗的。而且对于FWG NO1和FWG NO2两种尺寸的慢波结构由于其边过大难以起振。
附图说明
图1 是常规曲折波导慢波结构与曲折准平板慢波结构的色散曲线图。
图2 是曲折准平板慢波结构示意图。
图3 是曲折准平板慢波结构示意图。
图4 是曲折准平板慢波结构纵截面的示意图。
图5 是曲折准平板慢波结构上下盖板结构示意图。
图6 是曲折准平板慢波结构与常规曲折波导慢波结构的色散曲线图。
图7 是曲折准平板慢波结构与常规曲折波导慢波结构单位周期长度传输损耗曲线图。
图8 是曲折准平板慢波结构与常规曲折波导慢波结构耦合阻抗曲线图。
具体实施方式
图（1）中，我们可以看出，当常规曲折波导变成准平板慢波结构后，它的低端截止频率下降，这样就能使5kV的电压线与返波区有交集，此时返波管可以工作。这在很大程度上降低了返波管的工作电压。设定曲折准平板慢波结构的尺寸=110，=8，=35，=32，=16，=45。其各个尺寸参数代表的含义在图（2）、图（4）中有明确的标注。利用电磁仿真软件得到了曲折准平板慢波结构的高频特性，并且与常规曲折波导慢波结构FWG NO1（尺寸：=200，=8，=35，=32，=16），FWG NO2（尺寸：=300，=8，=35，=32，=16），FWG NO3（尺寸：=165，=27，=110，=144，=20，）的高频特性作了比较。如图（6），图（7），图（8）所示。
图（6）为色散曲线，从图中QPP与FWG NO1的比较可以看出在相同的外部尺寸（110+45+45=200）情况下，曲折准平板慢波结构拥有更低的截止频率，这就意味着曲折准平板慢波结构用作返波管慢波结构工作在0次谐时具有更低的工作电压。
图（7）为每个周期的损耗曲线，从中我们可以看出与同尺寸的常规曲折波导慢波结构（FWG NO1）以及不同尺寸的常规曲折波导慢波结构相比，曲折准平板慢波结构（QPP）在更宽的频率范围内具有更低的单位周期长度损耗。
图（8）为耦合阻抗曲线，其中只有FWG NO3是工作在+1次空间谐波的。从图中我们可以看出，工作在基波（0次空间谐波）的时候慢波结构的耦合阻抗要明显大于工作在+1次空间谐波的慢波结构的耦合阻抗。曲折准平面慢波结构在更宽的频率范围内耦合阻抗也是要大于常规曲折波导慢波结构的耦合阻抗的。而且对于FWG NO1和 FWG NO2两种尺寸的慢波结构由于其边过大，其实是无法起振的。
Claims (2)
1.一种太赫兹曲折准平板结构，为半开放结构，以直角弯曲波导和直波导首尾相连构成的常规曲折波导，其特征在于，在宽边的方向上以中点为对称点，在两边分别将部分直波导段从头至尾打通，并在波导壁上沿中轴对称线的位置处开有圆形通孔，构成电子注通道；具体加工时，相同的上下两块盖板组合而成，在两边有金属壁或者介质作为支撑结构。
2.根据权利要求1所述的太赫兹曲折准平板结构，其特征在于，当=0时，该结构就变成常规的曲折波导。
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