[發明專利]一種適用于矩形交錯雙柵慢波結構的能量耦合器件

無效

• 申請號: 201010594432.1
• 申請日: 2010-12-19
• 公開（公告）號: CN102064069A
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 發明（設計）人: 賴劍強;宮玉彬;許雄;魏彥玉;段兆云;岳玲娜;王文祥
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01J23/42
• 分類號: H01J23/42
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于真空電子技術領域，特別涉及矩形交錯柵行波管中的輸入輸出結構。

背景技術

行波管是真空電子技術領域內最為重要的一類微波源，具有大功率、高效率、高增益、寬頻帶和長壽命的特點，廣泛應用于雷達、制導、衛星通信、微波遙感、輻射測量等領域，其性能直接決定著裝備的水平。行波管的核心部件是慢波結構。常用的慢波結構有螺旋線、耦合腔和曲折波導等，工作在亞毫米波及太赫茲波段的這些結構輸出功率有限，結構加工非常困難。

為了適應實際應用的需要，工作在毫米波、亞毫米波的波行波管已經成為研究的熱點。具有結構簡單、易加工等特點的矩形交錯柵行波管被發現具有衰減小，耦合阻抗高，線性度好，反射小等良好的的工作特性而被廣泛關注。

Young-Min?Shin等于2007年提出了一種矩形交錯雙柵慢波結構(如圖1所示為它的縱向半剖面示意圖)，是柵型行波管中非常有潛力的慢波結構。它由兩排相向的周期排列的柵結構沿中心軸上下對稱分布，然后再沿縱向相對位移半個周期形成交錯雙柵，上下柵之間有一定厚度的電子注通道。矩形交錯雙柵慢波結構的上下排柵高度為H，寬度為w，厚度為a，柵與柵之間的凹陷部分長為b，柵的周期為a+b，上下排柵之間的電子注通道寬為2r。這種結構也可以描述成在一個矩形波導的兩個寬邊內壁交錯地加載尺寸相同的矩形柵，形成矩形交錯雙柵，同時保證柵的高度的兩倍小于波導窄邊的長度，以保證上下排柵之間有足夠厚度的電子注通道。

關于矩形交錯雙柵慢波結構是目前研究的一個熱點問題，它可以覆蓋很寬的帶寬，其輸入輸出結構即能量耦合裝置的性能會極大地影響基于這種結構的行波管的性能，設計不好會引起嚴重的信號反射，即使再好的慢波結構也不能體現這種行波管的優點。在毫米波及太赫茲波段它已經成了一個制約行波管發展的瓶頸。Young-Min?Shin等在提出矩形交錯雙柵慢波結構隨后設計了配套的輸入輸出裝置(其平面圖如圖2所示)，但這種輸入輸出裝置的性能不佳，嚴重限制了工作帶寬，且很多頻點基本不能工作，用CST?MWS?2009仿真，得出其駐波比如圖3所示，表明這種結構不能滿足實用化的要求。

發明內容

為了實現將微波信號能量很好地耦合進矩形交錯雙柵慢波結構，同時將被放大了的微波信號能量很好地從矩形交錯雙柵慢波結構中提取出來，本發明提出了一種適用于矩形交錯雙柵慢波結構的能量耦合器件。

本發明所采用的技術方案是：

一種適用于矩形交錯雙柵慢波結構的能量耦合器件，其縱向半剖面結構如圖4所示，對應的二維平面圖如圖5所示，由與矩形波導的連接端過渡到與矩形交錯雙柵慢波結構相連接的另一端。其中與矩形波導連接的部分為一段寬邊長度為w、窄邊長度為k的矩形波導；與矩形交錯雙柵慢波結構連接的部分由上下兩排彼此交錯分布、高度逐漸變化的矩形柵導波結構構成。定義寬邊長度為w、窄邊長度為k的矩形波導上電場面(上波導寬面)所在平面為上基準面1，定義寬邊長度為w、窄邊長度為k的矩形波導下電場面(下波導寬面)所在平面為下基準面2。在所述上下兩排彼此交錯分布、高度逐漸變化的矩形柵導波結構中：所有上排矩形柵一半高度的位置處于上基準面1內；所有下排矩形柵一半高度的位置處于下基準面2內；上下兩排矩形柵從與矩形交錯雙柵慢波結構相連接的端口起計，矩形柵的高度逐漸減小至零；矩形柵的最大高度不超過矩形交錯雙柵慢波結構的矩形柵高度。

本發明的工作原理可以描述為：

采用兩個本發明提供的能量耦合器件與矩形交錯雙柵慢波結構的輸入、輸出端分別相連，構成矩形柵行波管的高頻通道。能量耦合器件的作用是為了實現標準矩形波導與矩形交錯雙柵慢波結構之間的微波阻抗匹配，從而實現微波信號能量無反射地從標準矩形波導饋入矩形交錯雙柵慢波結構，所饋入的微波信號與矩形交錯雙柵慢波結構中的自由電子束發生相互作用，實現微波信號功率的放大，放大后的微波信號再經由與矩形交錯雙柵慢波結構輸出端相連的能量耦合器件無反射地輸出到標準矩形波導。

本發明的有益效果是：

(1)在工作頻帶內，將兩個能量耦合器件連接到矩形交錯雙柵慢波結構的首輸入、輸出端，組成帶有能量耦合裝置的慢波系統，仿真得到其駐波比小于1.1，如圖6所示，成功實現了微波信號能量很好地耦合進矩形交錯雙柵慢波結構和提取出矩形交錯雙柵慢波結構。

(2)該能量耦合裝置，具有工作模式純、結構簡單易加工，僅設計少量的漸變柵就實現了能量的良好耦合，且易與現有的標準的通用過渡導波裝置連接等特點，避免了導致多模工作的可能。