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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图11，对本发明的实施例进行描述。应当理解的是，以下所述仅是本发明的示意性实施方式，并不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种非周期慢波结构的设计方法，包括步骤：

S1：选择非周期慢波结构类型和非周期线的线型；

S2：在非周期慢波结构每个单元相速度同步的条件下，确定各单元的同步频率、同步电压、dn和Ln的关系式；

S3：优化非周期慢波结构的三维模型；

其中，dn为第n个单元沿电子注传输方向的长度，Ln为第n个单元的长度。

具体地，需要在非周期慢波结构中选择一种三维结构和一种二维线型，每种非周期慢波结构都具有各自的结构特点；非周期慢波结构也是通过多个单元组成，限定每个单元的相速度都同步，在同步条件下，获得了同步频率、同步电压、dn和Ln的关系式。结合具体的设计参数的需求，从而会得出特定的同步频率、同步电压、dn和Ln的数值或数值范围，进而根据该数值和数值范围确定和优化该非周期慢波结构的三维模型，即非周期慢波结构的具体应用参数和结构形态。

在本发明的一个实施例中，非周期线的类型选择自相似线的其中一种类型。

其中，在本发明的另一个实施例中，自相似线包括多个相似单元，所有相似单元均基于一个相似单元通过相同的变化规则得到。例如，通过一个相似单元(可以看做是母单元)的拉伸，放缩等简单变化得到其它相似单元。

如图2所示，进一步地，在本发明的一个可选实施例中，确定各单元的同步频率、同步电压、dn和Ln关系式的步骤，包括：

S11：获得非周期慢波结构的有效相速度；

S12：获得有效相速度同步条件；

S13：确定同步频率、同步电压、dn和Ln的关系式。

此外，如图3所示，在本发明的另一个可选实施例中，获得非周期慢波结构的有效相速度的步骤，包括：

S21：基于所选择的非周期慢波结构的类型确定该慢波结构的截止角频率；

S22：基于所选择的非周期线的线型，确定非周期线的dn，以及非周期线的Ln；

S23：确定非周期慢波结构的有效相速度。

具体地，非周期慢波结构的类型指的是三维结构，例如包括曲折线型和折叠波导。非周期线指的是二维线型，每种非周期线都会对应自己的线型。根据非周期慢波结构的特点可以得出限定的关系条件，从而可以得到有效相速度的关系式。

具体地，在本发明的另一个实施例中，非周期慢波结构的有效相速度公式为：

其中，m表示第m次空间谐波，n表示非周期慢波结构的第n个单元，v_eff，m，n为第n个单元中的m次空间谐波的有效相速度，β_m，n为第n个单元中的m次空间谐波的传播常数，v_c为光速，ω_c为截止角频率，δ是Kronecker符号。

其中，在本发明的实施例中，若有效相速度同步，则v_eff，m，n与单元指标n无关，非周期慢波结构的各单元的相速度同步条件为：

其中，β_syn为相速度同步时的传播常数，C为与单元指标n无关的常数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，相速度同步条件下的同步频率和同步电压，计算公式：

其中，ω_syn是同步频率，U是同步电压，m_e是电子质量，e_e是电子电荷量。

进而也可以得出，此时的同步有效相速度(v_syn)为：

通过非周期线获得有效相速度的简单描述形式，基于有效相速度，获得相速度同步条件，从而提供了怎样的非周期线适合于非周期结构，非周期线要满足什么条件可以适合于非周期慢波结构设计的问题。

如图4所示，优化非周期慢波结构的三维模型的步骤，包括：

S31：基于选择的非周期慢波结构类型和非周期线的线型绘制初始三维慢波结构模型；

S32：利用三维仿真软件，基于同步频率、同步电压以及预设参数优化三维慢波结构模型。

总的来说，根据所设计的非周期慢波结构类型，根据非周期线结构特点，获得非周期慢波结构各单元的有效相速度；基于有效相速度，获得各单元的相速度同步条件，从而获得相速度同步频率和理想同步电压表达式。并基于此，设计三维慢波结构模型；利用三维仿真软件，对已获得的参数进行优化，从而获得具有良好工作性能的行波管放大器非周期慢波结构。

另外，在本发明的一个可选实施例中，非周期线选择自相似线。并且，在本实施例中，选择在非周期慢波结构的折叠波导结构作为示例，步骤如下：

由于折叠波导结构的工作模式主要为TE₁₀模，其截止波长大于0(ω_c>0)，因此，故空间基波(m＝0)其有效相速度为：

因此，相速度同步条件为：

例如，如图5至图8所示，在本实施例中的自相似线为同心圆弧结构。

在满足同步条件的情况下，结构参数Ln和dn以及rn为：

其中，k和dc分为dn与rn的线性表达式系数和增量，满足以下关系式：

d_n＝k·r_n+d_c.....(9)

由此可获得具体的有效相速度表达式，并且，设定结构参数h＝1.75mm，dc＝0.22mm，k＝0.002，θ＝2度，则如图9所示。得到归一化有效相速度。

此时的同步频率和理想同步电压为：

基于此，利用三维仿真软件，对已获得的参数进行优化，从而获得具有良好工作性能的行波管放大器非周期慢波结构。

如图10和图11，对获得的折叠波导结构进行效果测试。在电子注电压电流分别设置为4600V和0.15A，输入信号功率为0.4W的条件下，在工作频率为94.5GHz时有最大输出功率，输出功率可达138.11W。其增益可达25.38dB，电子效率为20.02％。

参考图11，本发明的折叠波导结构输出信号稳定。在50ns情况下，二次与三次谐波归一化功率分别为-20.85dB(189GHz)和-28.09dB(283.5GHz)。高次谐波与基波分量相差45dB以上，这表明在没有对折叠波导结构进行截断和加载衰减结构的情况下，输出信号频谱非常干净且输出信号稳定。

进一步地，本发明还提供了一种行波管放大器，包括电子枪组件和采用上述的非周期慢波结构的设计方法所获得的非周期性慢波结构，

其中，非周期性慢波结构与电子枪组件对中装配。

本发明提供的一种非周期慢波结构的设计方法，通过选择非周期慢波结构的三维类型和二维线型确定非周期慢波结构的特点，在各单元相速度同步的条件下，可以获得各单元的同步频率、同步电压、dn和Ln的关系式，根据关系式得到相应的结构参数及参数范围，基于此，优化非周期慢波结构的三维模型，进而获得适用于大功率和高增益行波管放大器的非周期慢波结构；相较于周期型慢波结构具有较低的工作电压，而且其非周期结构带来的各单元色散特性差异，能够有效应对自激振荡问题。

进一步地，本发明提供的行波管放大器，包含了采用非周期慢波结构的设计方法获得慢波结构，因此也具备以上优势。

本发明参照特定的实施实例做了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。例如，自相似线的有效相速度不局限于实施实例的同心圆弧自相似线，对于平面螺旋线等其他自相似线也同样适用；设计方法也不局限于以TE₁₀模为主要工作模式的非周期折叠波导，对于以TEM模为主要工作模式的非周期曲折线慢波结构等其他非周期慢波结构也同样适用。因此，本实施例和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。