阅读说明：本技术 一种用于太赫兹真空电子器件的宽带输能窗 (Broadband energy transmission window for terahertz vacuum electronic device ) 是由 苏思铭 张长青 潘攀 蔡军 冯进军 于 2021-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于太赫兹真空电子器件的宽带输能窗,包括：由两端向内依次同中心轴设置的矩形波导、渐变段、圆波导和介质窗片；所述介质窗片与两侧的圆波导密封焊接；所述宽带输能窗关于介质窗片对称；其中,所述渐变段由矩形波导内腔和形成在矩形波导宽边中线外侧的金属槽组成；所述金属槽关于矩形波导宽边中线和中心轴所在的平面对称；所述金属槽的宽边长度小于折叠波导的宽边长,金属槽与中心轴的垂直距离小于圆波导的半径。该宽带输能窗具有较小的反射特性,能够满足宽频带需要,同时波导的结构参数敏感性低,对加工精度和装配精度要求小,加工成品率高,易于规模化生产。(The invention discloses a broadband energy transmission window for a terahertz vacuum electronic device, which comprises: the rectangular waveguide, the gradual change section, the circular waveguide and the dielectric window sheet are arranged from two ends inwards and sequentially share the central shaft; the dielectric window sheet is hermetically welded with the circular waveguides on the two sides; the broadband energy transmission window is symmetrical about the medium window sheet; the gradual change section consists of a rectangular waveguide inner cavity and a metal groove formed on the outer side of the central line of the wide side of the rectangular waveguide; the metal groove is symmetrical about a plane where a central line and a central axis of the wide side of the rectangular waveguide are located; the length of the wide side of the metal groove is smaller than that of the wide side of the folded waveguide, and the vertical distance between the metal groove and the central shaft is smaller than the radius of the circular waveguide. The broadband energy transmission window has a small reflection characteristic, can meet the requirement of a broadband, is low in structural parameter sensitivity of the waveguide, has low requirements on machining precision and assembly precision, is high in machining yield, and is easy for large-scale production.)

一种用于太赫兹真空电子器件的宽带输能窗

技术领域

本发明涉及真空电子器件领域。更具体地，涉及一种用于太赫兹真空电子器件的宽带输能窗。

背景技术

真空电子器件在通讯、成像、探测等领域有重要应用价值，而目前制约其发展的主要障碍是输出功率水平偏低。微波输能窗是真空电子器件的重要组成部分。输能窗除了能保证真空电子器件工作在真空条件外，还要保证反射小、输入输出损耗低。在太赫兹频段,穿越窗片的电磁波损耗较大,而且结构尺寸十分微小,对窗架和窗片材料的强度、热性能、介电常数都有更加严苛的要求。

目前使用的输能窗多为盒形窗。盒形窗具有结构简单、工艺成熟、冷测带宽较宽等优点，并且窗片表面电场较弱，可承受峰值功率高，在结构上易于冷却。在真空电子器件、磁控管、回旋管、速调管和加速器等领域得到了广泛使用。传统盒形窗的基本结构如图1A和1B所示。窗的两端连接的标准矩形波导，中部圆波导中心位置密封焊接有介质窗片。

尽管传统盒形窗的带宽、损耗等电参数能够满足实际需要，但由于其采用侧壁封接工艺,焊接较为困难，结构强度弱,真空气密性可靠性低。尤其是在太赫兹频段,结构尺寸十分微小，封接更加困难。所以在实际应用中，一般采用标准盒形窗，它的基本结构如图2A和2B所示。标准盒形窗的介质窗片直径比圆波导大，使用窗片边缘与圆波导封接,结构强度和气密性可靠性大大提高。

目前标准盒形窗反射小于-20dB带宽可达49.5GHz，满足190-240GHz频带需要，但由于圆波导的直径和长度的敏感性过高，加工误差±0.01mm便会引起窗性能的极大恶化，成品率较低，不适合批量生产。

因此，需要提供一种易于加工且可满足频带需要的输能窗。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于太赫兹真空电子器件的宽带输能窗，该输能窗在满足频带需要，反射特性优异的情况下，波导的结构参数敏感性低，对加工精度和装配精度要求小，加工成品率高，易于规模化生产。

本发明的另一个目的在于提供一种包括有上述宽带输能窗的太赫兹真空电子器件。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于太赫兹真空电子器件的宽带输能窗，包括：

由两端向内依次同中心轴设置的矩形波导、渐变段、圆波导和介质窗片；

所述介质窗片与两侧的圆波导密封焊接；

所述宽带输能窗关于介质窗片对称；

其中，所述渐变段由矩形波导内腔和形成在矩形波导宽边中线外侧的金属槽组成；

所述金属槽关于矩形波导宽边中线和中心轴所在的平面对称；

所述金属槽的宽边长度小于折叠波导的宽边长，金属槽与中心轴的垂直距离小于圆波导的半径。

优选地，所述金属槽的形状选自方形、矩形或弧形。

优选地，所述介质窗片一侧的渐变段的数目为一个或多个。

优选地，当介质窗片一侧的渐变段的数目为多个时，多个渐变段中金属槽的形状相同或不同。

优选地，所述介质窗片材质选自CVD金刚石、蓝宝石、白宝石、氧化铍或氮化铝。

一种包括有上述宽带输能窗的太赫兹真空电子器件。

本发明的有益效果如下：

本发明提供一种用于太赫兹真空电子器件的宽带输能窗，该宽带输能窗相比现有技术中标准盒形窗，在矩形波导和圆波导之间设置有渐变段，该宽带输能窗具有较小的反射特性，能够满足频带需要，同时波导的结构参数敏感性低，对加工精度和装配精度要求小，加工成品率高，易于规模化生产。

附图说明

下面结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步详细的说明。

图1A和图1B示出传统盒形窗的结构示意图。

图2A和图2B示出标准盒形窗的结构示意图。

图3示出本发明中宽带输能窗结构的45度侧视示意图。

图4示出本发明中宽带输能窗结构的主视示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明提供一种用于太赫兹真空电子器件的渐变段宽带输能窗，该宽带输能窗相比现有技术中的如图2A和2B所示的标准盒形窗，其矩形波导和圆波导之间设置有渐变段，因此，其结构如图3和图4所示。具体地，本发明中宽带输能窗包括：由两端向内依次同中心轴5设置的矩形波导1、渐变段2、圆波导3和介质窗片4；所述介质窗片4与两侧的圆波导3密封焊接，保障了输能窗的真空性；所述宽带输能窗关于介质窗片4对称，即介质窗片4两侧的波导都是对称分布的；其中，所述渐变段2由矩形波导1和形成在矩形波导宽边中线6外侧的金属槽21组成；金属槽21关于矩形波导宽边中线6和中心轴5所在的平面对称，且金属槽21的宽边长度a₁小于矩形波导1的宽边长a₂，金属槽21与中心轴5的垂直距离R₂小于圆波导3的半径R₁。

在具体的实施过程中，小渐变段中金属槽的形状包括但不限于为方形、矩形或弧形等，图3和图4中金属槽为弧形。需要说明的是，当金属槽为弧形时，金属槽与中心轴的垂直距离是指拱形金属槽截面圆弧的半径。

本领域技术人员可以理解的是，针对不同频段、不同功率、不同尺寸的折叠波导真空电子器件，输能窗中介质窗片一侧的渐变段的数目可以为一个或多个；且当渐变段的数目为多个时，多个渐变段中金属槽的形状可以相同，也可以不同；以及宽带输能窗的各结构参数的大小调整，这些都在本发明的保护范围之内。

在具体的示例中，所述介质窗片材质包括但不限于CVD金刚石、蓝宝石、白宝石、氧化铍或氮化铝等。

在具体实施过程中，输能窗与矩形波导连接的两个端口处的反射系数越小，匹配越优良，同时频带越宽越好。例如，当要求输能窗的目标反射特性S11,S22＜-20dB，带宽大于40GHz，此时基于本发明提供的宽带输能窗结构优势，加工误差在±0.02mm时，就能保证目标反射特性和带宽。

下面结合具体的对比例和实施例对本发明技术方案进一步阐述。

对比例

对比例1中的标准盒形窗如图2A和2B所示，该标准盒形窗的介质窗片为CVD金刚石窗片，中心频率在200～260GHz，矩形波导为220GHz频段的标准波导，圆波导的半径R＝0.85～0.95mm，长度h＝0.25～0.35mm，通过分析波导参数敏感性曲线可知，圆波导半径R的容差为±0.005mm，长度h的容差为±0.01mm，结构参数的敏感性极高，在工艺上极难实现。

实施例

含渐变段宽带输能窗的结构如图3和图4所示的，该宽带输能窗的介质窗片为CVD金刚石窗片，窗片一侧设置有一段渐变段，金属槽为拱形。对于中心频率在200～260GHz的宽带输能窗，矩形波导为220GHz频段的标准波导，圆波导的半径R₁＝0.85～0.95mm，长度h₁＝0.25～0.35mm；金属槽的高度R₂＝0.25～0.35mm，长度h₂＝0.45～0.55mm。通过分析波导参数敏感性曲线可知，金属槽的高度R₂容差为-0.04mm～+0.06mm、长度h₂的容差为±0.1mm；圆波导的半径R₁和长度h₁的容差为±0.02mm。可见本发明中宽带输能窗的结构参数敏感性低，对加工精度和装配精度要求小，在工艺上容易实现。同时，该宽带输能窗的反射特性S₁₁<-30dB，能够满足需要。

对比可见，本发明中提供的宽带输能窗在满足反射特性及频带宽度需求的基础上，波导结构参数的敏感性更低，工艺上更易实现，可实现批量加工，具有更广泛的应用前景。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。