阅读说明：本技术 一种具有三角函数轮廓的多电子注通道慢波结构 (Multi-electron-beam-channel slow-wave structure with trigonometric function profile ) 是由 温瑞东 路志刚 朱美玲 丁科森 于 2019-11-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有三角函数轮廓的多电子注通道慢波结构,属于电真空器件技术领域,由一个长方体壳体、壳体内上方分布着的多个余弦栅齿、下方分布着的多个正弦栅齿构成。相邻两个余弦栅齿之间形成电子注通道,电子注通道呢布置圆形电子注,相邻两个正弦栅齿之间作为高频系统,共同组成所述多电子注通道慢波结构。本发明提供的一种具有三角函数轮廓的多电子注通道慢波结构适合工作于高次空间谐波,能够满足太赫兹波段的要求,同时本发明拥有天然的圆电子注通道,在不降低电子注电流密度的条件下可以实现远距离传输,能够有效地进行注-波互作用。(The invention discloses a multi-electron-beam-channel slow-wave structure with a trigonometric function profile, which belongs to the technical field of electric vacuum devices and comprises a cuboid shell, a plurality of cosine grid teeth distributed at the upper part in the shell and a plurality of sine grid teeth distributed at the lower part in the shell. An electron beam channel is formed between two adjacent cosine grid teeth, circular electron beams are arranged on the electron beam channel, and a high-frequency system is arranged between two adjacent sine grid teeth to jointly form the multi-electron beam channel slow-wave structure. The multi-electron-beam-channel slow-wave structure with the trigonometric function profile is suitable for working in higher-order space harmonics, can meet the requirements of terahertz wave bands, is provided with a natural circular electron beam channel, can realize remote transmission under the condition of not reducing the electron beam current density, and can effectively perform injection-wave interaction.)

一种具有三角函数轮廓的多电子注通道慢波结构

技术领域

本发明涉及微波电真空器件技术领域，具体涉及一种具有三角函数轮廓的多电子注通道慢波结构。

背景技术

微波电真空器件是利用带电粒子在真空环境中实现微波信号的振荡或放大的一种器件。新一代电真空器件不仅要求高频率、高功率、高效率，还要求高可靠性、简单易加工等特点，才能够满足新的应用需求和挑战。

固态器件的高速发展以及航天、军事领域的迫切需求，给电真空器件带来了挑战和机遇。行波管正朝着太赫兹频段迈进。太赫兹波是指频率从0.1～10.0THz,即波长在0.03～3.00mm的一种电磁波，具有适中的波束宽度以及较大的系统带宽。作为人类了解和开发最少的电磁波段，太赫兹波段被称为“探索电磁波谱的最后一段空隙”。

寻求新型的慢波结构一直是微波管科研工作者们努力探索的目标。目前常规的慢波结构有折叠波导、交错双栅、正弦波导、螺旋线慢波结构等，很多研究人员聚焦于对上述慢波结构进行改进以期得到更加优良的慢波特性，如脊加载、翼加载、削顶、挖孔(槽)等，但这无疑会增加结构本身的复杂性，从而带来加工难度大、散热差等问题。

现有的慢波结构包括一个长方体壳体、壳体内上方为带状电子注、下方分布着的多个正弦栅齿，带状电子注尺寸为a×b，栅齿周期为p2，高为h2，宽边长度为w。带状电子注虽然具有高功率输出、具有较小的电流密度、较弱的空间电荷效应和较高的导流系数的优点，但是具有难以聚焦、实现远距传输的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有三角函数轮廓的多电子注通道慢波结构，解决现有的慢波结构采用带状电子注导致难以聚焦、实现远距传输的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种具有三角函数轮廓的多电子注通道慢波结构，包括长方形壳体，所述长方形壳体内下方分布的多个正弦栅齿，相邻两个正弦栅齿之间为高频系统，所述长方形壳体内上方分布的多个余弦栅齿，相邻两个余弦栅齿之间形成电子注通道，在电子注通道布置圆形电子注，所述正弦栅齿和余弦栅齿相互正交。

本发明的工作原理：

本发明所述的慢波结构包括一个长方体壳体、壳体内上方分布着的多个余弦栅齿、下方分布着的多个正弦栅齿。这一慢波结构作为电子注的控制和能量交换机构，使电磁波以行波形式沿慢波结构行进，同时使电子注以与行波高次空间谐波相速基本相同的速度与行波场一起前进。在这一运动过程中，电子注与场持续地相互作用，使高频信号在相应频带范围内得到增强，即完成注-波互作用。

本发明通过在长方形壳体内上方分布的多个余弦栅齿，相邻两个余弦栅齿之间形成电子注通道，在电子注通道布置圆形电子注，不仅能够满足太赫兹波段对大电流密度的要求，且在现有的磁聚焦系统下能够实现电子注远距离传输，使注-波互作用时间延长，能量交换效果明显，如此本发明解决了现有的慢波结构采用带状电子注导致难以聚焦、实现远距传输的问题。

本发明电子注通道数量可以根据需求进行增减，具有灵活多变的结构属性；且本发明主体结构比较简单，加工难度降低。

本发明所述慢波结构适合工作于高次空间谐波，在尺寸相差不大的情况下能够工作于太赫兹频段，降低了加工难度

进一步地，多个余弦栅齿的边缘轮廓形状呈余弦函数分布；多个正弦栅齿的边缘轮廓形状呈正弦函数分布。

进一步地，以最外侧电子注通道边沿的某点为原点，圆形电子注延拓方向为x轴，慢波结构延拓方向为z轴，则多个余弦栅齿的边缘轮廓形状满足y＝h₁/2+h₁/2*cos(2*π*x/p₁)(0≤x≤p₁)；多个正弦栅齿的边缘轮廓形状满足y＝-h₂/2-h₂/2*sin(2*π*z/p₂)(0≤z≤p₂)，其中，p₁为电子注通道周期，h₁为电子注通道峰值，p₂为耦合腔周期，h₂为耦合腔峰值。

进一步地，电子注通道的数量n满足：n*p₁＝w，其中，w为宽边长度，p₁为电子注通道周期。

进一步地，相邻两个余弦栅齿沿慢波结构水平径向呈周期排列。

进一步地，相邻两个正弦栅齿沿慢波结构纵向呈周期排列。

进一步地，多个圆形电子注相互平行、等间隔地从多电子注通道穿过。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过在长方形壳体内上方分布的多个余弦栅齿，相邻两个余弦栅齿之间形成电子注通道，在电子注通道布置圆形电子注，不仅能够满足太赫兹波段对大电流密度的要求，且在现有的磁聚焦系统下能够实现电子注远距离传输，使注-波互作用时间延长，能量交换效果明显。

2、本发明电子注通道数量可以根据需求进行增减，具有灵活多变的结构属性；且本发明主体结构比较简单，加工难度降低。

3、本发明的高次空间谐波能够工作于太赫兹频段；工作频段一致时，本发明尺寸较大，解决了当前太赫兹频段加工困难的问题；本发明能够满足太赫兹频段慢波结构乃至电真空器件对电子注电流密度以及电流强度的要求，同时解决了带状电子注聚焦困难的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明所述多圆形电子注慢波结构真空示意图；

图2为本发明所述多圆形电子注慢波结构示意图；

图3为本发明所述多圆形电子注慢波结构入口侧示意图；

图4为现有的正弦单栅慢波结构示意图；

图5为现有的正弦单栅慢波结构入口侧示意图；

图6为对比例和本发明所提供的实施例的mode3对比示意图；

图7为对比例和本发明所提供的实施例的mode4对比示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-长方形壳体，2-余弦栅齿，3-圆形电子注，4-正弦栅齿。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1-图3所示，一种具有三角函数轮廓的多电子注通道慢波结构，包括长方形壳体1，所述长方形壳体1内下方分布的多个正弦栅齿4，相邻两个正弦栅齿4之间为高频系统，所述长方形壳体1内上方分布的多个余弦栅齿2，相邻两个余弦栅齿2之间形成电子注通道，在电子注通道布置圆形电子注3，所述正弦栅齿4和余弦栅齿2相互正交；多个余弦栅齿2的边缘轮廓形状呈余弦函数分布；多个正弦栅齿4的边缘轮廓形状呈正弦函数分布；以最外侧电子注通道边沿的某点为原点，圆形电子注3延拓方向为x轴水平径向，慢波结构延拓方向为z轴纵向，则多个余弦栅齿2的边缘轮廓形状满足y＝h₁/2+h₁/2*cos(2*π*x/p₁)(0≤x≤p₁)；多个正弦栅齿4的边缘轮廓形状满足y＝-h₂/2-h₂*sin(2*π*z/p₂)(0≤z≤p₂)，其中，p₁为电子注通道周期，h₁为电子注通道峰值，p₂为耦合腔周期，h₂为耦合腔峰值；所述电子注通道的数量n满足：n*p₁＝w，其中，w为宽边长度，p₁为电子注通道周期；相邻两个余弦栅齿2沿慢波结构水平径向呈周期排列，即等间距排列；相邻两个余弦栅齿2之间的腔体为电子注通道，位于长方体壳体1的上顶面；电子注通道可根据电子注数量沿水平径向延拓；相邻两个正弦栅齿4沿慢波结构纵向呈周期排列，即等间距排列；相邻两个正弦栅齿4之间的腔体为高频系统，位于长方体壳体1的下底面；慢波结构的长度可根据设计沿纵向延拓，多个圆形电子注3相互平行、等间隔地从多电子注通道穿过。

本实施例中，电子注通道周期为p₁，高为h₁，栅齿周期为p₂，高为h₂，宽边长度为w。

对比例1：

如图4-图5所示，一种带状电子注慢波结构，包括长方形壳体1，所述长方形壳体1内下方分布的多个正弦栅齿4，相邻两个正弦栅齿4之间为高频系统，所述长方形壳体1内在多个正弦栅齿4上方形成电子注通道，在电子注通道布置带状电子注。

本对比例中，电子注通道高为h₁，栅齿周期为p₂，高为h₂，宽边长度为w，带状电子注为a×b。

为了对本发明所述“以高次空间谐波工作于太赫兹频段”进行论证，将实施例1和对比例1所述的慢波结构进行建模，在三维仿真工具中取如下参数进行本征模求解：p1＝p2＝0.46mm，h1＝h2＝0.43mm，w＝1.38mm，结果如图6、7所示(sine-cosine代表本发明，sine-rectangular代表对比例)。图中显示了两种结构的第3、第4个模式的对比，从图中可以看出，实施例1相比对比例1，模式3在整个360°相位内频率高出15GHz，模式4在整个360°相位内频率高出超过50GHz。

根据上述结果，在尺寸完全相同的情况下，本发明的高次空间谐波能够工作于太赫兹频段；工作频段一致时，本发明尺寸较大，解决了当前太赫兹频段加工困难的问题。

本发明对现有进行分析：对比例采用带状电子注的目的在于：①相同电流密度下，由于带状电子注横截面积大，因此可以增加总体电流，增加电子注的功率容量，从而实现器件的高功率输出；②相同电流强度下，由于带状电子注横截面积大，因此其具有较小的电流密度、较弱的空间电荷效应和较高的导流系数。但是由于带状电子注难以聚焦、实现远距传输等困难，再考虑到单个圆形电子注相对于带状电子注的劣势，提出了本发明，能够在基本不影响电子注电流密度的前提下，满足太赫兹频段对大电流的要求。

如图3和图5所示，圆形电子注半径为r，带状电子注尺寸为a×b。如果要满足两种电子注的电流强度相等，则满足

C×π×r²×3＝S×a×b

，其中C表示圆形电子注阴极电流发射密度，S表示带状电子注阴极电流发射密度。

考虑到如下实际情况：①圆形电子注阴极电流发射密度C≤50A/cm²，带状电子注阴极电流发射密度S≤30A/cm²；②圆形电子注的占空比比较大(70％左右)，带状电子注的占空比比较小(30％左右),那么，按照a＝0.6×w，b＝0.6×h1，C＝50A/cm²，S＝30A/cm²以及实施例1中的数据，有

这说明：当圆形电子注半径r＝0.116mm时，本发明的电子注电流强度等于对比例中带状电子注的电流强度；这也说明本发明能够满足太赫兹频段慢波结构乃至电真空器件对电子注电流密度以及电流强度的要求，同时解决了带状电子注聚焦困难的问题。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。