一种矩形金属柱加载的交错栅慢波结构制造技术

本发明专利技术公开了一种矩形金属柱加载的交错栅慢波结构，采用一个长方体外壳、位于壳体上顶面和下底面沿着纵向周期分布的矩形栅齿、加载在栅齿中间的一根/多根矩形金属柱和两个带状注通道组成的结构。利用矩形金属柱，可以实现慢波结构的高阶模工作。这种交错栅慢波结构能够有效抑制低阶模和且在相同结构尺寸的情况下工作在高频段。基于这种慢波结构的毫米波太赫兹行波管/返波管具有结构紧凑、电子效率高、输出功率大等优点，在高数据率通信系统、高精度成像系统、雷达整机系统等方面有着广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种矩形金属柱加载的交错栅慢波结构[
]本专利技术属于微波真空电子
，具体涉及一种用于毫米波/太赫兹波带状注行波管/返波管的矩形金属柱加载的交错栅慢波结构。[
技术介绍
]太赫兹技术是当今最具发展潜力的技术之一，它在高数据率通信、安检成像、高精度雷达、生物医学和材料检测等诸多领域具有广阔的应用前景。虽然太赫兹技术取得了重要的研究进展，但目前太赫兹技术目前仍处于探索阶段，真正能够实现的应用目前尚少。其中一个很重要的原因便是大功率太赫兹源的匮乏。真空电子器件是一种用于实现大功率太赫兹源的重要技术手段。行波管/返波管是真空电子学领域内最为重要的一类放大器/振荡器，具有大功率、高效率、宽频带和长寿命等特点，广泛应用于雷达、制导、卫星通信、微波遥感、辐射测量等领域，其性能直接决定着整个装备系统的水平。和常规的圆形电子注行波管/返波管相比，带状注行波管/返波管的电子注面积大，电子注功率高，从而使得整管的输出功率大。慢波结构作为注波互作用的场所，是带状注行波管/返波管的核心部件之一。目前用于带状注行波管/返波管的常用慢波结构有耦合腔、交错栅、对称栅、单栅和正弦波导等。在“一种宽频高功率亚毫米波行波管的高频电路”(《IEEE电子器件》，2009年，56卷，706-712页，作者：Young-MinShin,LarryR.Barnett)一文中，该文作者在对称栅慢波结构的基础上，深入研究了交错栅慢波结构。交错栅慢波结构由于具有潜在的宽频带工作特性，近年来受到了广泛的研究。其结构如图1所示，包括：长方体外壳11、位于壳体上顶面和下底面的矩形栅齿12以及带状电子注通道13。位于壳体上顶面和下底面的矩形栅齿均沿着纵向呈周期排列(等间距排列)，在上顶面和下底面的矩形栅齿沿着纵向错位半个周期。上、下栅齿之间为电子注通道。通常情况下，带状注行波管/返波管工作在基模状态下。当工作频率提高至太赫兹波段时，基模工作下的带状注行波管/返波管的结构尺寸将会变小，给加工和装配带来很大的难度。结构尺寸的减小，会使得整管的功率容量减小，从而限制输出功率的提升。另外，结构尺寸的减小还会降低电子注的面积，从而提高电子注的电流密度，进而增大电子枪和聚焦系统的研制难度。高阶模工作是解决上述问题的一种有效手段。在相同工作频率下，高阶模工作能够提高该慢波结构的结构尺寸。在相同结构尺寸下，高阶模工作能够提高该慢波结构的工作频率。然而，低阶模能否有效抑制是高阶模工作的一个核心问题。本专利技术所提出的矩形金属柱加载的交错栅慢波结构能够有效抑制低阶模，且工作在高阶模。[
技术实现思路
]本专利技术的目的在于：在传统交错栅慢波结构的基础上，提出了一种能在相同结构尺寸下工作在更高频段的矩形金属柱加载的交错栅慢波结构。本专利技术具体采用如下技术方案：一种矩形金属柱加载的交错栅慢波结构，包括一个长方体壳体、壳体下底面和上顶面内有沿着轴向周期排列延伸的各矩形栅齿，以及上下各矩形栅齿之间形成的带状电子注通道，还包括加载在上下矩形栅齿中的矩形金属柱。优选地，栅齿的厚度以及两个相邻栅齿之间的间距之和为一个周期长度，在上顶面和下底面的矩形栅齿沿着轴向错位半个周期。优选地，栅齿厚度与相邻栅齿之间的距离相等。优选地，所述矩形金属柱的数量n≥1，通过矩形金属柱的加载，工作模式由低阶模变为高阶模。优选地，沿着矩形栅齿的宽边等间距地加载n根矩形金属柱，n≥1，该慢波结构的工作模式将为TM(n+1),1-like模。其次，本专利技术提供了一种交错栅慢波器件，包括以上所述的矩形金属柱加载的交错栅慢波结构。本专利技术的有益效果有：(1)本专利技术所提出的矩形金属柱加载的慢波结构工作在高阶模状态。和基模工作相比，在慢波结构的结构尺寸相同的情况下，高阶模状态下的工作频率要更高，从而有利于将工作频率扩展至更高频率；在相同工作频率的情况下，高阶模状态下的结构尺寸要更大，从而有利于加工装配。(2)本专利技术所提出的慢波结构具有多个电子注通道。电子注通道个数的增加，有利于提高电子注的面积。在电子注电流相同的情况下，可以降低电子注电流密度，从而降低电子枪和聚焦系统的要求。在电子注电流密度相同的情况下，可以提高电子注电流，从而提高输出功率。(3)和传统交错栅慢波结构相比，本专利技术所提出的慢波结构的耦合阻抗要更大，注波互作用将更强，有助于提高整管的电子效率和输出功率。。[附图说明]图1为
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中传统交错栅慢波结构的示意图。图中：11－长方体外壳，12－矩形栅齿，13－带状注通道。图2是本专利技术中单矩形金属柱加载的交错栅慢波结构的示意图。图中：21－长方体外壳，22－矩形栅齿，23－带状注通道，24－矩形金属柱。图3为本专利技术实施例1与
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的色散曲线对比图。图4为本专利技术实施例1与
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的平均耦合阻抗曲线对比图。图5为本专利技术中双矩形金属柱加载的交错栅慢波结构的示意图。图中：51－长方体外壳，52－矩形栅齿，53－带状注通道，54－第一矩形金属柱，55－第二矩形金属柱。图6为为本专利技术实施例2与
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的色散曲线对比图。图7为本专利技术实施例2与
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的平均耦合阻抗曲线对比图。[具体实施方式]慢波结构是行波管/返波管电子注和电磁波相互作用的场所。在达到注波同步条件的情况下，馈入至慢波结构中的电子注能量将会转换给电磁波，从而实现电磁波的放大(行波管)或激励(返波管)。慢波结构的电场必须含有纵向分量方能实现注波在纵向实现换能。慢波结构的工作频率和慢波结构的色散特性有着直接的关系。传统交错栅慢波结构的工作模式为TM11-like模式，含有纵向电场分量，能够实现纵向注波换能。本专利技术所提出的矩形金属柱加载的交错慢波结构，能够激励起TM(n+1),1-like模(n为矩形金属柱的根数)。和传统的交错栅慢波结构相比，矩形金属柱加载的慢波结构的色散曲线将会整体向上平移。从而有利于提高该慢波结构的工作频率。下面结合实施例对本专利技术做进一步描述，但本专利技术的保护范围不仅限于实施例。实施例1本实施方式以工作频率范围为0.35-1.55THz的单矩形金属柱加载的交错栅慢波结构为例。如图2所示，包括一个长方体壳体21、壳体21下底面和上顶面内有沿着轴向周期排列延伸的各矩形栅齿22，以及上下各矩形栅齿之间形成的带状电子注通道23，还包括加载在上下矩形栅齿22中的矩形金属柱24。其中矩形金属柱的根数为1，电子注通道的个数为2。如图2所示，设定如下具体尺寸：该慢波结构横截面的宽和高分别为w1＝320μm和h1＝160μm，周期为p＝60μm，电子注通道高度为h2＝30μm。交错栅栅体的高度为h3＝60μm，栅体厚度为w2＝30μm。矩形金属柱横截面的宽和高分别为w3＝60μm和h4＝40μm。
技术介绍
中基于基模的交错栅慢波结构除无矩形金属柱外，其它参数与矩形金属柱加载的交错栅慢波结构一致。利用三维电磁仿真软件对上述两种慢波结构进行仿真。单矩形金属柱加载的交错栅慢波结构具有两个电子注通道，工作模式为TM21-like模，而传统慢波结构具有一个电子注通道，工作模式为TM11-like模。两种慢波结构的色散曲线和耦合阻抗分别如图3和图4所示。如图3所示，当相位相同时，单矩形金属柱加载的交错栅慢波结构的工作频率均高于基于基模的交错栅慢波结构。比如：当相位为1.5π(270°)时，单矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矩形金属柱加载的交错栅慢波结构，包括一个长方体壳体、壳体下底面和上顶面内有沿着轴向周期排列延伸的矩形栅齿，以及上下各矩形栅齿之间形成的带状电子注通道，其特征在于：还包括加载在上下矩形栅齿中的矩形金属柱。

【技术特征摘要】
1.一种矩形金属柱加载的交错栅慢波结构，包括一个长方体壳体、壳体下底面和上顶面内有沿着轴向周期排列延伸的矩形栅齿，以及上下各矩形栅齿之间形成的带状电子注通道，其特征在于：还包括加载在上下矩形栅齿中的矩形金属柱。2.根据权利要求1所述的交错栅慢波结构，其特征在于：栅齿的厚度以及两个相邻栅齿之间的间距之和为一个周期长度，在上顶面和下底面的矩形栅齿沿着轴向错位半个周期。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒国响，钱正芳，周灿钦，孙一翎，范姝婷，陈乐，戴翔宇，熊浩，梁豪，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44