一种并联耦合慢波电路返波管

摘要

本发明公开了一种并联耦合慢波电路返波管，采用多电子束电子枪、多个慢波结构，并获得的各慢波结构的返波进行叠加，同时，在相邻的两个慢波结构之间放置一个耦合结构，耦合结构为一金属隔离壁，在耦合结构中的方形环状栅之间的间隔位置有开孔，从而将多个慢波结构结合形成一个并联耦合慢波电路，并联慢波电路的耦合结构使各个慢波结构间的高频场和空间电荷场有效耦合，从而起到锁定各慢波结构间高频场的相位和提高互作用效率的目的，使得输出功率大于各个慢波结构功率的简单相加，从而大大提高了输出功率和效率。

权利要求

1.一种并联耦合慢波电路返波管，其特征在于，包括：

多电子束电子枪，用于产生多束电子注；

多个慢波结构，并行对齐放置，多束电子注的每一束电子注进入对应的一个慢波结构的电子注通道，慢波结构由多个方形环状栅沿一条直线间隔相同距离放置而成，方形环状栅中间开的方形孔为电子注通道孔，多个方形环状栅的电子注通道孔构成电子注通道，每个慢波结构的结构相同，即方形环状栅以及方形环状栅之间的间隔是对齐的；

多个耦合结构，在相邻的两个慢波结构之间放置一个耦合结构，耦合结构为一金属隔离壁，在耦合结构中的方形环状栅之间的间隔位置有开孔；

聚焦系统，用磁场力抵消电子注的空间电荷排斥力，约束每一电子注使其能顺利通过各自进入慢波结构的整个电子注通道，而不被截获；

反射输出端口，位于多个慢波结构的电子注输入口处，将各个慢波结构中反射回的电磁波进行能量叠加，并输出。

说明书

一种并联耦合慢波电路返波管

技术领域

[0001] 本发明属于真空电子器件技术领域，更为具体地讲，涉及一种返波管，该返波管的高频慢波结构为并联耦合慢波电路。

背景技术

[0002] 作为经典的微波源器件，返波管是一种高功率，高效率的辐射源。此外，返波管还具有较好的单色特性、信号稳定性、频率调谐特性和紧凑的结构外观的特点，能连续波工作，工作频率能覆盖整个太赫兹的低频段，倍频后频率甚至可以达到几个THz。目前，在1THz频段，返波管只能产生毫瓦量级的功率输出，还不能满足通信、生物和其它一些应用的需要。

[0003] 当返波管往高频段发展时，其功率水平降低的主要原因是制约真空微波器件的尺寸共度效应，即随着工作波长变短，器件高频结构的尺寸要相应减小。尺寸变小之后加工难度提高，装配变得困难；电子束通道相应变小，在保持相同电流密度的情况下，能够利用的电流就相应减小。这些因素加到一起，不但致使高频率返波管的输出功率和效率降低，并且连加工和实现都变得十分困难。

[0004] 到目前为止，解决上述困难的已有途径主要包括提高高频结构加工工艺水平以及开拓新的加工方式以适应微细结构加工、提高电流密度和改进慢波结构性能三方面。

[0005] 微细结构加工方法包括各种机械加工方法、UV-LIGA和DRIE等，但这些加工方法不能解决电流效率问题。提高电流密度是通过提高各种聚束系统的性能实现的，它虽然使得返波管所能够利用的总电流有所增加，但是这种增加是有限的，并且会使得聚束变得困难，管子流通变差。虽然有各种改进的高频结构被提出来，但是改进各种慢波电路只能对返波管性能有局部改进，不能大幅度提升返波管的输出功率和效率。这些已有研究和技术手段仅在一定程度上改善或者缓解了尺寸共度效应所带来的困难。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种并联耦合慢波电路返波管，以提高输出功率和效率。

[0007] 为实现上述发明目的，本发明并联耦合慢波电路返波管，其特征在于，包括：

[0008] 多电子束电子枪，用于产生多束电子注；

[0009] 多个慢波结构，并行对齐放置，多束电子注的每一束电子注进入对应的一个慢波结构的电子注通道，慢波结构由多个方形环状栅沿一条直线间隔相同距离放置而成，方形环状栅中间开的方形孔为电子注通道孔，多个方形环状栅的电子注通道孔构成电子注通道，每个慢波结构的结构相同(方形环状栅以及方形环状栅之间的间隔是对齐的)[0010] 多个耦合结构，在相邻的两个慢波结构之间放置一个耦合结构，耦合结构为一金属隔离壁，在耦合结构中的方形环状栅之间的间隔位置有开孔；

[0011] 聚焦系统，用磁场力抵消电子注的空间电荷排斥力，约束每一电子注使其能顺利通过各自进入慢波结构的整个电子注通道，而不被截获；

[0012] 反射输出端口(返波管输出端口)，位于多个慢波结构的电子注输入口处，将各个慢波结构中反射回的电磁波(返波)进行能量叠加，并输出。

[0013] 本发明的发明目的是这样实现的：

[0014] 本发明并联耦合慢波电路返波管，采用多电子束电子枪、多个慢波结构，并获得的各慢波结构的返波进行叠加，同时，在相邻的两个慢波结构之间放置一个耦合结构，耦合结构为一金属隔离壁，在耦合结构中的方形环状栅之间的间隔位置有开孔，从而将多个慢波结构结合形成一个并联耦合慢波电路，并联慢波电路的耦合结构使各个慢波结构间的高频场和空间电荷场有效耦合，从而起到锁定各慢波结构间高频场的相位和提高互作用效率的目的，使得输出功率大于各个慢波结构功率的简单相加，从而大大提高了输出功率和效率。

[0015] 此外，本发明还具有以下有益效果：

[0016] 1、本发明并联耦合慢波电路返波管将慢波结构并联，每个慢波结构与传统返波管具有相同频段和相近设计的慢波结构性能相近，每个慢波结构的电子束通道尺寸也与传统设计相近，由于本发明的并联耦合慢波电路包含传统返波管的多个慢波结构，因此本发明并联耦合慢波电路返波管可以在不增加电流密度的情况下，成倍增加整个返波管的可利用电流；

[0017] 2、相对于传统慢波电路返波管，本发明并联耦合慢波电路返波管不需要增加电流密度，因此本发明并联耦合慢波电路返波管不会增加聚束系统的实现难度；并且，在输出性能相当的情况下，本发明的电流密度可以大幅度下降，聚束难度也将大幅度下降，流通率将大幅度上升，管子的稳定性将得到提高；

[0018] 3、相比较传统慢波电路返波管，本发明并联耦合慢波电路返波管的高频慢波结构是并联耦合慢波电路，并联耦合慢波电路是多个相同传统慢波结构的并联，在慢波结构并联的同时，也将返波管的输出端口并联，使各个并联慢波结构的功率在反射输出端口(返波管输出端口)进行能量叠加，这样就可以使返波管的输出功率成倍增加；

[0019] 4、相比较传统慢波电路返波管，本发明并联耦合慢波电路返波管是多个慢波结构的并联，在并联的同时加入合适的耦合结构，使得各个并联电子注之间的空间电荷场也有相互耦合，返波管的输出功率不仅仅是各个传统单个慢波电路返波管的输出简单相加，而是大于各个并联慢波电路的总和，输出效率也会得到提高；

[0020] 5、本发明并联耦合慢波电路返波管可以增加注-波互作用的效率，注波互作用的效率增加可以使单位长度上电子束交出的能量增加，从而增加线路场，进而使得返波管饱和长度提前，也就在一定程度上缩短了返波管的饱和管长。

附图说明

[0021] 图1是本发明并联耦合慢波电路返波管一种具体实施方式的结构示意图；

[0022] 图2是两个相邻慢波结构之间耦合结构的示意图；

[0023] 图3是单电子注单周期栅加载矩形波导慢波结构尺寸图；

[0024] 图4是单电子注返波管慢波电路以及返波管输出端口纵向剖面图；

[0025] 图5是单电子注返波管慢波电路以及返波管输出端口横向剖面图；

[0026] 图6是单电子注慢波电路返波管输出信号图；

[0027] 图7是单电子注慢波电路返波管输出信号频谱图；

[0028] 图8是双电子注返波管并联耦合慢波电路以及返波管输出端口结构示意图；

[0029] 图9是双电子注返波管并联耦合慢波电路以及返波管输出端口横向剖面图；

[0030] 图10是双电子注并联耦合慢波电路返波管输出信号图；

[0031] 图11是双电子注并联耦合慢波电路返波管输出信号频谱图；

[0032] 图12为四电子注返波管并联耦合慢波电路示意图。

[0033] 图13为四电子注返波管并联耦合慢波电路横向剖面图。

[0034] 图14为四电子注并联耦合慢波电路返波管输出信号图。

[0035] 图15为四电子注并联耦合慢波电路返波管输出信号频谱图。

具体实施方式

[0036] 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。

[0037] 图1是本发明并联耦合慢波电路返波管一种具体实施方式的结构示意图。

[0038] 在本实施例中，如图1所示，本发明并联耦合慢波电路返波管包括：多电子束电子枪1、反射输出端口即返波管输出端口2、收集极3、聚焦系统4、多个慢波结构以及多个耦合结构构成的并联耦合慢波电路5。

[0039] 多电子束电子枪1用于产生多束电子注，具体是产生具有一定形状和电流强度的多束电子注，并将电子注加速到一定速度以便和慢波结构上的电磁场交换能量，本发明并联耦合慢波电路返波管中的慢波结构为多个慢波结构的并联，各个并联的慢波结构都需要一个电子束，所以本发明采用多电子束电子枪，能满足各个并联的慢波结构对电子枪的要求。

[0040] 反射输出端口(返波管输出端口)2位于多个慢波结构的电子注输入口处，将各个慢波结构中反射回的电磁波(返波)进行能量叠加，并输出。各个慢波结构在并联时，将能量输出过渡到一个端口即反射输出端口2，这样可以使各个慢波结构的输出能量进行叠加。

[0041] 收集极3用来收集已经和电磁场换能完毕后的电子，由于完成注-波互作用的电子仍然具有很高的速度，需要打在收集极转化为热量散失。

[0042] 聚焦系统4用磁场力抵消电子注的空间电荷排斥力，约束每一电子注使其能顺利通过各自进入慢波结构的整个电子注通道，而不被截获。

[0043] 多个慢波结构以及多个耦合结构构成并联耦合慢波电路5，其中：

[0044] 多个慢波结构并行对齐放置，多束电子注的每一束电子注进入对应的一个慢波结构的电子注通道，慢波结构由多个方形环状栅沿一条直线间隔相同距离放置而成，方形环状栅中间开的方形孔为电子注通道孔，多个方形环状栅的电子注通道孔构成电子注通道，每个慢波结构的结构相同(方形环状栅以及方形环状栅之间的间隔是对齐的)；

[0045] 如图2所示，在相邻的两个慢波结构501之间放置一个耦合结构502，耦合结构502为一金属隔离壁，在耦合结构中的方形环状栅之间的间隔位置有开孔5021。图2为两个相邻慢波结构之间耦合结构横截面剖视图，其中，附图标记5011表示电子注通道。

[0046] 在本发明中，如图3所示，采用的慢波结构为一种栅加载矩形波导的慢波结构，包括方形环状栅和其中间的方形电子注通道，方形环状栅为完全对称结构，由n个方形环状栅沿竖直方向或水平方呈周期性排列，排列间距大于自身厚度。在本实施例中，方形环状栅的宽D＝0.38mm，高B＝0.38mm，方形电子注通道孔的宽C＝0.1mm，高A＝0.1mm，厚度为E＝0.04mm，周期长度pitch＝0.1mm。

[0047] 进一步地，当n个单周期栅加载矩形波导慢波结构在一个方向周期性排列时，n个单周期栅加载矩形波导慢波结构(即方形环状栅)的中心轴线共线。

[0048] 进一步地，将排列好的慢波结构在两端加入输入输出匹配传输结构，该结构包括两个高度大于慢波结构高度的矩形波导口和波导渐变过渡结构。

[0049] 进一步地，在上述结构加入电子注通道端口，这样就形成了单电子注慢波电路。

[0050] 进一步地，在单电子注慢波电路的基础上，沿着慢波结构的宽度方向平移慢波结构宽度的值，并复制单周期慢波电路结构，就构成了双电子注并联耦合慢波电路。

[0051] 进一步地，将双电子注并联耦合慢波电路按照上述方法进行并联就可构成四电子注并联耦合慢波电路。

[0052] 进一步地，将四电子注并联耦合慢波电路按照上述方法进行并联就可构成八电子注并联耦合慢波电路。

[0053] 图4、图5为单电子注返波管慢波电路以及返波管输出端口纵向和横向剖面图。

[0054] 如图4、5所示，单电子注返波管慢波电路是由一个慢波结构501组成，有一个电子注通道5011，返波管输出端口2的宽为port_width＝0.38mm，高为port_height＝1mm,厚为port_thick＝0.06mm。在本实施例中，单电子注返波管慢波电路还有一传输输出端口6，作为返波管时，传输输出端口6不使用。通过计算本实施例单电子注并联耦合慢波电路注波互作用，其中，电子注工作电压为24kV，电流为51.2mA。其结果为图6和图7，可以看到，返波管工作稳定，信号谱纯净。由图6可知，单电子注耦合慢波电路返波管的饱和输出功率为0.93*0.93/2W＝432mW，饱和管长为0.1*120＝12mm，图7可知输出信号频谱图纯净，起振频率为
670.6GHz。

[0055] 图8、图9是双电子注返波管并联耦合慢波电路以及返波管输出端口的结构图和纵向剖面图。并联耦合慢波电路是由两个慢波结构501并联而成的，有两个电子注通道5011，返波管输出端口2的宽为port_width＝0.76mm,高为port_height＝1mm,厚为port_thick＝0.06mm。双电子注并联耦合慢波电路结构参数与单电子注慢波电路完全相同，只是将两个慢波结构进行并联。

[0056] 通过计算双电子注并联耦合慢波电路注波互作用，其中电子注工作电压为24kV，电流为51.2*2＝102.4mA。其结果为图10和图11，可以看到，管子工作稳定，信号谱纯净。由图10可知，双电子注并联耦合慢波电路返波管的饱和输出功率为1.5*1.5/2W＝1125mW，大于单电子注耦合慢波电路返波管输出功率432mW的两倍，饱和管长为0.1*115＝11.5mm，图11可知输出信号频谱图纯净，起振频率为670.6GHz。

[0057] 图12、图13双电子注返波管并联耦合慢波电路以及返波管输出端口的结构图和纵向剖面图。并联耦合慢波电路是由四个慢波结构501并联而成的，有四个电子注通道5011，返波管输出端口2的输出端口的宽为port_width＝1.52mm,高为port_height＝1mm,厚为port_thick＝0.06mm。四电子注并联耦合慢波电路结构参数与单电子注慢波电路完全相同，只是将四个相同的慢波结构进行并联。

[0058] 通过计算四电子注并联耦合慢波电路注波互作用，其中电子注工作电压为24kV，电流为51.2*4＝204.8mA。其结果为图14和图15，可以看到，管子工作稳定，信号谱纯净。由图14可知，四电子注并联耦合慢波电路返波管的饱和输出功率为2.15*2.15/2W＝2311.25mW，大于单电子注耦合慢波电路返波管输出功率432mW的四倍，饱和管长为0.1*110＝11mm，图15可知输出信号频谱图纯净，起振频率为670.6GHz。

[0059] 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。