一种变螺距变内径的新型螺旋线慢波结构
阅读说明：本技术 一种变螺距变内径的新型螺旋线慢波结构 (Novel helix slow wave structure with variable pitch and variable inner diameter ) 是由 段兆云 张潽 黄思隆 王传超 江胜坤 张宣铭 王少萌 巩华荣 宫玉彬 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种变螺距变内径的螺旋线慢波结构,属于真空电子技术领域。该慢波结构通过特定地变化螺旋线的内径和螺距,使得返波振荡和高次谐波被抑制,并得到了较高的行波管效率,在Q波段输出功率饱和时电子效率能达到16％,输出功率回退6dB时电子效率能达到4％。(The invention provides a variable-pitch and variable-inner-diameter helical line slow wave structure, and belongs to the technical field of vacuum electronics. The slow wave structure enables return wave oscillation and higher harmonics to be restrained by specifically changing the inner diameter and the thread pitch of the spiral line, and obtains higher efficiency of the traveling wave tube, the electronic efficiency can reach 16% when the output power of a Q wave band is saturated, and the electronic efficiency can reach 4% when the output power is backed off by 6 dB.)
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种变螺距变内径的新型螺旋线慢波结构。
背景技术
随着电子通信技术的快速发展，通信系统对功率放大器件的频率和效率的要求越来越高，半导体器件由于自身散热问题、频率、效率、功率等的限制，目前难于满足未来通信系统的迫切需求，而行波管这类真空电子器件在这方面具有较大的优势。行波管作为一种末级功率放大器，广泛应用在雷达、电子对抗、通信、精确制导等电子装备中。
衡量行波管性能好坏的一个重要标准为行波管效率的高低。在未来通信系统中，由于功率放大器一般工作在线性区而不是饱和点，因此需要高频功率放大器在输出功率回退6dB时应同样具有高效率。研究者们采取了一系列不同的技术来提高行波管的效率。就目前而言，主要有以下两种方法：第一种是速度再同步技术；第二种是降压收集极技术。速度再同步技术指的是注波互作用趋于稳定时，通过改变相速度或者电子注速度来减小电子注与高频行波场之间必要的速度差，以此重新激励起有效注波互作用的一种技术。目前这种技术主要通过相速渐变法、相速跳变法和电压跳变法三种方法实现，考虑到加工实现的难度，尤其是在高频段情况下，相比于电压跳变，相速跳变和渐变是更加有效且容易实现的速度再同步方式。
Q波段螺旋线行波管由于其频率高、带宽宽、信号传输速率高的优点，将在未来通信系统中具有重要应用前景。针对螺旋线慢波结构，传统方法主要是通过螺距跳变和渐变，使得高频电磁场相速产生相应跳变和渐变来实现速度再同步，从而提高行波管的效率。然而，单纯的螺距变化的螺旋线慢波结构一方面很难抑制行波管存在的大功率返波振荡，无法保证行波管稳定工作；另一方面，该方法在提升行波管效率方面仍然不能满足未来通信系统对于输出功率回退6dB的效率需求。如专利CN20669744U公开了一种包含多渐变段的螺旋线行波管的慢波结构及其高频结构，其输入段和输出段的螺距均有改变，但其在Q波段43.5-46.5GHz的饱和电子效率为10.11％；2016年电子科技大学王凡的硕士学位论文“8-18GHz大功率螺旋线行波管的研究”中讨论了一种变螺距且变内径的螺旋线行波管，但其频段较低，仅是利用变内径结构来抑制返波振荡，而且与本专利所提出的变螺距变内径的办法完全不同。
因此，能够用于实现Q波段行波管高效率且有效抑制返波振荡的螺旋线慢波结构是亟需解决的关键问题。
发明内容
针对背景技术所存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种变螺距变内径的新型螺旋线慢波结构。该慢波结构通过变化螺旋线的内径和螺距，使得返波振荡和高次谐波被抑制，并得到了较高的行波管效率，同时在输出功率回退6dB时也具有较高的效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种变螺距变内径的螺旋线慢波结构，包括螺旋线、衰减器、夹持杆和管壳；其中，螺旋线由三根分布均匀的夹持杆固定，夹持杆另一端固定于管壳上；
所述螺旋线包括输入段、输出段和切断区；所述切断区位于输入段与输出段之间，用于切断反馈途径；
所述衰减器包括集中衰减器和分布衰减器；其中，集中衰减器设置于切断区的两侧，用于吸收反射波以及返波，分布衰减器设置于输入段区间，其作用为吸收反射波和返波；
所述输入段的螺距固定，内径渐变，且起始端处内径S1与切断区内径S2满足关系式S1＝1.0769S2，电子注经过输入段的速度调制和密度调制后在输入段末端实现电子群聚，建立增长波；
所述输出段的内径渐变，螺距跳变，输出段依次划分为相速增加段、负跳变段、正跳变段和相速降低段，各段的螺距对应为P1、P2、P3和P4，轴向长度分别为L2、L3、L4和L5，相速增加段用于对电子相位进行补偿，并对输入段末端的群聚电子进一步群聚，相速降低段将电子注的能量尽可能交给电磁场，完成能量输出；其中，P2＝0.974P1，P3＝1.026P1，P4＝0.962P1，L2＝0.22L，L3＝0.08L，L4＝0.2L，L5＝0.087L；
输入段和输出端螺旋线的内径在切断区相同，且两端处也相同，输入段和相速增加段的螺距相同，均为P1。
进一步地，所述输入段的轴向长度L1应满足关系式：L1＝0.4L-0.413L，其中，L为慢波结构整体长度，为80-100mm。
进一步地，螺距P1的的长度优选为0.3-0.5mm。
进一步地，所述切断区的轴向长度为1-2mm。
进一步地，所述分布衰减器设置一个或多个，使电子注经过输入段后的增益不超过26dB。
进一步地，所述分布衰减器和集中衰减器的衰减量不同。
本发明的机理为：输入段是利用其半径变化使高频场的相速变化，电子注经过这一段的速度调制和密度调制后在输入段末端实现电子群聚，建立增长波；输出段在螺旋线内径上都是渐变段，在螺距上进行跳变，对电子相位进行补偿并对输入段末端的群聚电子进一步群聚，并同时使电子注的能量尽可能交给电磁场，完成能量输出。考虑到行波管工作时电子注半径会在慢波结构后端逐渐增大，而电子注的填充比需要保持在一定范围内才能获得最佳的注波互作用效果，因此将慢波结构内径与电子注半径在某些区域同步增大，有利于高频场从电子注中获得更多的能量，从而提高效率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明输出段的相速增加段设置为螺距负跳变后接正跳变的结构，这种结构有效抑制了高次谐波分量，使得群聚效果更好，极大地提高了行波管的电子效率。
2.本发明通过采用变螺距变内径的螺旋线慢波结构，其产生的变化相速使得返波振荡起振长度增加，从而有效抑制了行波管中的返波振荡，确保行波管在高增益下稳定工作。同时，输出段慢波结构内径在电子注半径逐渐增大的区域也相应增大，使得填充比保持在一个注波互作用效果较好的范围内，有利于得到更好的注波互作用效果从而提高行波管的电子效率。
3.本发明提出的螺旋线慢波结构适用于Q波段，即频率为36-40GHz，输出功率饱和时电子效率能达到16％，输出功率回退6dB时电子效率能达到4％。
附图说明
图1为实施例的单周期螺旋线慢波结构的视图；
其中，(a)为左视图，(b)为主视图，(c)为部分结构三维模型图。
图2为本发明的慢波结构中螺旋线的示意图。
图3为实施例在39GHz工作时的波形图和频谱图；
其中，(a)为波形图，(b)为频谱图。
图4为实施例中变螺距变内径的螺旋线行波管的输出功率示意图和电子效率示意图；
其中，(a)为饱和时的输出功率和电子效率，(b)为输出功率回退6dB时的输出功率和电子效率。
图5为实施例中变螺距变内径的螺旋线行波管的增益示意图。
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，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种变螺距变内径的螺旋线慢波结构，包括螺旋线、衰减器、夹持杆和管壳；其结构视图如图1所示，其中，螺旋线由三根分布均匀的夹持杆固定，夹持杆另一端固定于管壳上，如图1(a)所示；
所述螺旋线包括输入段、输出段和切断区，其结构示意图如图2所示；
输入段，用于电子的速度调制和密度调制，其内径为渐变结构，用来抑制返波振荡，电子注经过输入段的速度调制和密度调制后在输入段末端实现电子群聚，建立增长波；
输出段，包括相速增加段、负跳变段、正跳变段和相速降低段；其中，相速增加段对电子相位进行补偿，并对进入输出段的群聚电子继续进行群聚，相速降低段将电子注的能量尽可能交给电磁场，完成能量输出；
切断区，位于输入段与输出段之间，其作用为切断反馈途径，抑制反射振荡。
所述衰减器包括集中衰减器和分布衰减器；其中，集中衰减器设置于切断区的两侧，用于吸收反射波以及返波，分布衰减器设置于输入段区间，其作用也为吸收反射波和返波；衰减器为夹持杆上喷碳形成，其厚度和范围决定衰减量大小。
下面对本发明中各个部分进行具体介绍。
本发明中输入段，对应图2中的AB1段，该段进行电子的速度调制和密度调制，实现电子群聚，建立增长波。整段内径渐变从S1变化至S2，用以抑制返波振荡，内径S1与切断区内径S2满足如下关系式：S1＝1.0769S2。AB1段螺距为P1，为使得电子注在AB1段得到良好的电子群聚效果，同时抑制返波振荡，输入段的轴向长度L1满足如下关系式：L1＝0.4L-0.45L，经过仿真优化，本实施例取值为L1＝0.4108L；
本发明中输出段对应B2F段，包括相速增加段，对应B2E段和相速降低段，对应EF段，其中相速增加段内设置有一螺距负跳变后接正跳变的结构，即B2C，CD，DE段，其作用是：抑制高次谐波分量，提高电子效率；其中，相速增加段变化的螺距和分布决定电子注与空间电荷波的耦合程度，B2C，CD，DE段对应螺距分别为：P1，P2，P3，轴向长度分别为：L2，L3，L4，满足如下关系式：P2＝0.974P1，P3＝1.026P1，L2＝0.22L，L3＝0.08L，L4＝0.2L；
输出段中的相速降低段对应EF段，其螺距为P4，轴向长度为L5，满足如下关系式：P4＝0.962P1，L5＝0.087L；
切断区位于输入段与输出段之间，为1mm，作用是切断反馈途径，抑制自激振荡，包括反射振荡和返波振荡。
输入段和输出端的螺旋线的内径在切断区相同，且两端处也相同，输入段和相速增加段的螺距相同，均为P1，其中，L为80-100mm，P1为0.3-0.5mm。
根据本发明实施例所示的变螺距变内径的螺旋线慢波结构，利用三维PIC仿真软件进行仿真优化，在注电压为8500V，注电流为0.06A，周期聚焦磁场(峰值～0.4T)的条件下，其仿真结果如图3-5所示。图3为本发明慢波结构在39GHz工作时的波形图和频谱图；其中，(a)为波形图，(b)为频谱图。如图3(a)所示，输出波形在5ns时基本达到稳定不再有大的波动，对应的频谱图如图3(b)，表明频谱较为纯净无其他杂波峰值，返波振荡和反射振荡被很好地抑制。图4为实施例中变螺距变内径的螺旋线行波管的饱和输出功率示意图和电子效率示意图，如图所示在36GHz-40GHz的频率范围内，其饱和输出功率大于84W，对应电子效率超过16.47％，输出功率回退至6dB左右时，其输出功率在20W以上，对应电子效率高于4％，实现了高效率。图5为实施例中变螺距变内径的螺旋线行波管的增益示意图，其工作频带内饱和增益超过46.69dB，输出回退6dB时增益超过55.5dB。总的来说，本发明实现了抑制返波振荡和反射振荡，同时具有较高的电子效率和输出功率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。