專利名稱：一種太赫茲級聯行波管倍頻器件結構及制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于真空電子器件領域，具體涉及到在頻率進入太赫茲頻段的一種太赫茲級聯行波管倍頻器件。
背景技術：
太赫茲(THz)波是指頻率范圍在100GHZ-3000GHZ的電磁波，這種電磁波在軍事、醫(yī)療、工業(yè)等領域具有很多潛在的應用。太赫茲源的研發(fā)是太赫茲科學與技術中的首要工作，是開展太赫茲應用研究的前提和關鍵。真空電子器件高頻率、大功率的顯著特點預示了其具有填補太赫茲間隙的能力。行波管(TWT)是一種重要的真空電子器件，圖1是已有技術中一支普通行波管的結構示意圖，由圖中可以看到這個器件總體結構包含如下7個部分，它們是:1電子槍，2輸入系統，3慢波結構，它可以采用包括螺旋線、耦合腔、折疊波導等各種慢波結構，4磁聚焦系統，5集中衰減器，6輸出系統，7收集極。眾所周知，行波管的工作原理概述為，電子槍組件中的陰極產生一束電子注，由聚焦系統維持一定的電子注形狀，通過慢波結構中的電子注通道；高頻電磁場通過輸入系統進入慢波結構中并以行波的方式傳輸，其基波的相速度與電子速度同步，電磁場通過注波互作用在電子注中獲得能量，被放大的基波信息通過輸出系統耦合出來，集中衰減器的作用是防止電磁波沿慢波結構反饋而引起不希望的自激振蕩，收集極則用來收集通過慢波結構后已經交出基波能量的電子。與其他真空電子器件相t匕，行波管具有寬頻帶、高增益、大動態(tài)范圍和低噪聲等特性，到目前為止，行波管仍然是一種得到廣泛應用的真空電子器件，但是在進一步向太赫茲頻域的拓展中，行波管面臨著輸入功率驅動不足、精密零件加工困難、慢波結構高頻損耗大、器件互作用區(qū)域小、裝配工藝嚴格難以使電子注通道準直而獲得高流通率等技術難題。為了將行波管的應用范圍拓展到太赫茲頻域，需要站在高一層次思考這種真空電子器件的工作機理 。在行波管中，電子注通過慢波結構和電磁波發(fā)生充分的注波互作用后，電子注中的基波信息得到放大并達到飽和，由于行波管的非線性工作方式，電子注的空間電荷波呈現出非正弦分布狀態(tài)，這說明此時的電子注除了含有被放大基波信息外，還有被同時放大的高次諧波信息。理論和實驗表明當行波管處在基波過飽和的狀態(tài)時，電子注的非線性特性得到加強，諧波信息也進一步增大。在傳統的行波管理論中，認為電子注中更高頻率諧波的能量限制了行波管所關注的基波能量，降低了行波管工作頻率的輸出功率。因此，過去的工作都是致力于如何提高基波輸出功率，同時設法抑制以二次諧波為主的諧波功率，這一直都是寬頻帶行波管特別是倍頻程以上行波管的關鍵研究內容。而在當前的創(chuàng)新研究的理念中，則力求利用諧波，而不是去抑制諧波，基于行波管電子注內存在的大量諧波信息，利用電磁波對電子注調制的非線性來實現倍頻信息放大，不僅可行，而且具有以下優(yōu)點，如低頻率功率驅動、工藝實現難度小、流通率高、輸出功率大、頻帶寬和轉換增益高等。根據太赫茲應用對大功率和寬頻帶輻射源的需要，考慮到在頻率進入太赫茲頻域時直接研制行波管等傳統真空電子器件的難度和太赫茲信號功率驅動限制，本申請開發(fā)了這種創(chuàng)新的利用諧波實現倍頻放大的真空電子器件。

發(fā)明內容
本發(fā)明需要解決的技術問題是，針對現有技術中，普通行波管的工作狀態(tài)只考慮提高基波的輸出功率，而對于以二次諧波為主的諧波功率只是抑制，傳統的器件必須避免諧波這一不利因素破壞行波管性能。為了充分利用已存在于非線性電子注上的諧波信息，讓它發(fā)揮有益的作用，特考慮開發(fā)一種創(chuàng)新的利用諧波實現倍頻的器件。本發(fā)明的目的是提供一種太赫茲級聯行波管倍頻器件。為了實現本發(fā)明的目的，所采用的技術方案如下，一種太赫茲級聯行波管倍頻器件結構，器件保留傳統行波管的總體結構，該器件處于真空狀態(tài)下的密封金屬陶瓷封接的管殼中，一端設有包含陰極、聚焦極和陽極的電子槍組件，電子槍的出口處設有行波管慢波結構，其輸入慢波結構連有基波輸入耦合結構，輸出慢波結構連有基波輸出慢波結構，中部設有切斷和集中衰減器；其特征在于，該器件在行波管輸出慢波結構和收集極之間，級聯至少I至M個(M=2，3，……)N次(N=2，3，……)諧波系統，對行波管高頻系統非線性互作用后電子注中的N次諧波信息加以利用；第M個級聯的N次諧波系統包括慢波結構N、集中衰減器N和N次諧波輸出耦合結構，實現互作用后電子注中的N次諧波信息的提取、放大和輸出，級聯的諧波系統直接使用行波管的電子注通道、聚焦系統和收集極。根據上述太赫茲級聯行波管倍頻器件結構的制造方法，其特征在于按照以下步驟進行設計:a.編程計算慢波結構的色散特性，分析基波和諧波的色散曲線；b.改變慢波結構尺寸，分析基波、諧波的相速度和工作電壓對應電子注速度的關系，使得它們維持一定的同步關系；c.編程計算慢波結構基波和諧波的高頻損耗；d.編程計算慢波結構基波和諧波的耦合阻抗；e.利用多頻非線性軟件進行電子注-基波-諧波的互作用模擬，基波和諧波的色散、軸線耦合阻抗以及高頻損耗均作為模擬的輸入，得到互作用后電子注的諧波信息Im ;f.對級聯諧波系統進行設計，充分利用行波管高頻系統互作用后電子注中的諧波信息IM，通過能量交換，對互作用后電子注中諧波信息進行提取、放大和輸出，在寬頻帶范圍內建立大功率太赫茲電磁場，并繼續(xù)按照以下步驟進行設計:g.分析級聯的N次諧波系統的慢波結構N，計算N次諧波與工作電壓的同步關系和耦合強度，通過電子注諧波信息Im到電磁場的能量交換，實現N次諧波功率最大化和頻率響應最優(yōu)化；h.設計級聯的N次諧波系統中的集中衰減器N，匹配吸收反向電磁波，保證N次諧波系統不存在自激振蕩，能夠正常工作；1.設計級聯的N次諧波系統中的N次諧波高頻輸出系統，輸出放大的N次諧波功率。本發(fā)明的 有益效果是，基于電磁波對電子注的非線性調制，優(yōu)化行波管互作用后電子注的諧波信息，利用級聯的諧波系統進行充分的能量交換，來實現倍頻放大和輸出，使諧波功率得到充分的應用。


圖1為已有技術中普通行波管結構示意圖；圖2為太赫茲級聯行波管倍頻器件結構示意圖；圖3為本發(fā)明太赫茲級聯行波管倍頻器的設計流程圖；圖4為本發(fā)明一個實施例的基波、諧波輸出功率仿真圖。圖中行波管高基波頻率為90GHz時，完成行波管高頻系統控制二次諧波設計和級聯的一個二次諧波系統的設計后，利用微波工作室套裝軟件(MTSS2010)仿真得到的二次諧波系統中基波和諧波輸出功率的最終結果具體實施例方式參照圖1，表示傳統使用的一支普通行波管結構示意圖，為一支于真空密封狀態(tài)下的行波管，I為端部的電子槍，組件中含有陰極、聚焦極和陽極，電子槍出口處設有行波管高頻系統，包括輸入耦合結構2，慢波結構3，磁聚焦系統4，集中衰減器5和輸出耦合結構6，在行波管的末端設有收集極7。參照圖2，表示本設計太赫茲級聯行波管倍頻器件結構示意圖，與已知技術相比，本技術方案中，I為端部的電子槍，組件中含有陰極、聚焦極和陽極，電子槍出口處設有慢波結構3，包括輸入慢波結構和輸出慢波結構共同控制注互作用后諧波信息量，基波輸入耦合結構2實現基波功率輸入，基波輸出耦合結構6實現基波功率輸出，在起到器件工作狀態(tài)的觀察和控制作用后被匹配吸收，在慢波結構和收集極7之間，級聯了 I至M個(M=2，3，……)N次(N=2，3，……)諧波系統，對行波管高頻系統非線性互作用后電子注中的N次諧波信息加以利用。N次諧波系統包括·新增加的集中衰減器NS、一段與行波管諧波同步的慢波結構N9和N次諧波輸出耦合結構10，分別實現互作用后電子注中的N次諧波信息的振蕩抑制、放大和輸出。行波管高頻系統和諧波系統均浸沒在磁聚焦系統4中，諧波系統使用行波管的電子注通道。參照圖3，表示本發(fā)明行波管高頻系統的慢波結構的控制互作用后電子注諧波信息設計和級聯的第M個N次諧波系統的設計流程圖，圖中的流程如下進行:a.編程計算慢波結構的色散特性，分析基波和諧波的色散曲線；b.改變慢波結構尺寸，分析基波、諧波的相速度和工作電壓對應電子注速度的關系，使得它們維持一定的同步關系；c.編程計算慢波結構基波和諧波的高頻損耗；d.編程計算慢波結構基波和諧波的耦合阻抗；e.利用多頻非線性軟件進行電子注-基波-諧波的互作用模擬，基波和諧波的色散、軸線耦合阻抗以及高頻損耗均作為模擬的輸入，得到互作用后電子注的諧波信息Im ;f.對級聯諧波系統進行設計，充分利用行波管高頻系統互作用后電子注中的諧波信息IM，通過能量交換，對互作用后電子注中諧波信息進行提取、放大和輸出，在寬頻帶范圍內建立大功率太赫茲電磁場，并繼續(xù)按照以下步驟進行設計:g.分析級聯的N次諧波系統的慢波結構N，計算N次諧波與工作電壓的同步關系和耦合強度，通過電子注諧波信息Im到電磁場的能量交換，實現N次諧波功率最大化和頻率響應最優(yōu)化；h.設計級聯的N次諧波系統中的集中衰減器N，匹配吸收反向電磁波，保證N次諧波系統不存在自激振蕩，能夠正常工作；1.設計級聯的N次諧波系統中的N次諧波高頻輸出系統，輸出放大的N次諧波功率。 參照圖4，作為發(fā)明一個實施例仿真圖，所用行波管高頻系統和諧波系統慢波結構均為折疊波導的情況下，其基波頻率為90GHz時，完成行波管高頻系統控制二次諧波設計和級聯的一個二次諧波系統的設計后，利用微波工作室套裝軟件(MTSS2010)仿真得到的二次諧波系統中基波和諧波輸出功率的最終結果圖，該設計的目的是互作用后二次諧波信息最大化，此時行波管高頻系統中基波的相光速比為0.2762，軸線耦合阻抗為3.26 Ω，二次諧波的相光速比為0.3007，軸線耦合阻抗為0.04Ω，基波高頻損耗數值得到了實測數據的驗證，理論表明在此慢波結構中二次諧波高頻損耗小于基波高頻損耗；二次諧波系統中諧波頻率對應的相光速比為0.2719，軸線耦合阻抗為0.02 Ω。太赫茲行波管倍頻器三維模擬結果顯示，行波管輸出功率為129W時；二次諧波系統中二次諧波輸出功率為169mW，該數值比目前工作在該頻段的返波振蕩器功率大8倍，二次諧波轉換增益達到13.28dB，通過多次針對不同行波管高頻系統基波頻率的模擬證明了器件具有寬頻帶工作的能力。如果將二次諧波系統的慢波結構的工作方式設計為基波工作，經過優(yōu)化設計和模擬，能夠獲得功率達到瓦級的諧波電磁波，滿足成像和無損探傷等應用對大功率太赫茲源的需求。由此可見，具體實施本發(fā)明所給出的技術設計方案，可以證明其理論正確、可行。
權利要求
1.一種太赫茲級聯行波管倍頻器件，該器件處于真空狀態(tài)下的密封金屬陶瓷封接的管殼中，一端設有包含陰極、聚焦極和陽極的電子槍組件，電子槍的出口處設有行波管慢波結構，其輸入慢波結構部分連有基波輸入耦合結構，輸出慢波結構部分連有基波輸出耦合結構，中部設有切斷和集中衰減器；該器件保留了行波管的總體結構，其特征在于，該器件中，在行波管輸出慢波結構部分和收集極之間，級聯至少I至M個N次諧波系統對行波管非線性互作用后電子注中的N次諧波信息加以利用；第M個級聯的N次諧波系統包括慢波結構N、集中衰減器N和N次諧波輸出耦合結構，實現互作用后電子注中的N次諧波信息的提取、放大和輸出，級聯的諧波系統使用行波管的電子注通道、聚焦系統和收集極；諧波輸出耦合端口作為大功率和寬頻帶太赫茲電磁波的輸出口。
2.根據權利要求1所述的太赫茲級聯行波管倍頻器件結構的制造方法，其特征在于， a.編程計算慢波結構的色散特性，分析基波和諧波的色散曲線； b.改變慢波結構尺寸，分析基波、諧波的相速度和工作電壓對應電子注速度的關系，使得它們維持一定的同步關系； c.編程計算慢波結構基波和諧波的高頻損耗； d.編程計算慢波結構基波和諧波的耦合阻抗； e.利用多頻非線性軟件進行電子注-基波-諧波的互作用模擬，基波和諧波的色散、軸線耦合阻抗以及高頻損耗均作為模擬的輸入，得到互作用后電子注的諧波信息Im ; f.對級聯諧波系統進行設計，充分利用行波管高頻系統互作用后電子注中的諧波信息IM，通過能量交換，對互作用后電子注中諧波信息進行提取、放大和輸出，在寬頻帶范圍內建立大功率太赫茲電磁場，并繼續(xù)按照以下步驟進行設計: g.分析級聯的N次 諧波系統的慢波結構N，計算N次諧波與工作電壓的同步關系和耦合強度，通過電子注諧 波信息Im到電磁場的能量交換，實現N次諧波功率最大化和頻率響應最優(yōu)化； h.設計級聯的N次諧波系統中的集中衰減器N，匹配吸收反向電磁波，保證N次諧波系統不存在自激振蕩，能夠正常工作； . 1.設計級聯的N次諧波系統中的N次諧波高頻輸出系統，輸出放大的N次諧波功率。
全文摘要
一種太赫茲級聯行波管倍頻器件結構及制造方法，屬于真空電子器件領域，在行波管輸出慢波結構部分與收集極間，級聯至少1至M個N次(M，N=2，3，…)諧波系統。按照步驟進行設計，所述行波管高頻系統要控制互作用后電子注諧波信息，級聯諧波系統實現諧波功率最大化和頻率響應最優(yōu)化，輸出諧波作為實用信息本發(fā)明基于電磁波對電子注的非線性調制，優(yōu)化行波管互作用后電子注的諧波信息，利用級聯的諧波系統進行充分的能量交換，來實現倍頻放大和輸出。
文檔編號G02F1/37GK103247503SQ201310132820
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權日2013年4月17日
發(fā)明者蔡軍, 馮進軍, 鄔顯平 申請人:中國電子科技集團公司第十二研究所