一種具有選模作用的高q值太赫茲開放腔及其選模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波器件領域，尤其涉及一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔及 其選模方法。
【背景技術】
[0002] 在真空微波源器件家族中，回旋管是一種在毫米波和太赫茲波段能提供高功率輸 出的新型電真空器件，在未來的太赫茲技術中具有廣闊的應用前景。但是，為了產生太赫茲 波，如果回旋管還是工作在低次模式下，腔體半徑必然會很小，電子注通道過小就限制了其 功率輸出水平，失去了高功率輸出優(yōu)勢。同時過小的尺寸，對器件的加工和精度提出了苛刻 的要求。所以為了使回旋管工作在太赫茲波段，同時能確保高功率輸出水平，腔體半徑不至 于過小，可以使回旋管工作在高次諧波狀態(tài)下。但是，回旋工作在高次模式下，隨之帶來了 嚴重的模式競爭問題，使其很難穩(wěn)定工作，特別是當兩模式頻率相差很小時情況更加惡劣。 所以解決模式競爭問題，對高次諧波回旋管具有重大的實際意義。
[0003] 開放腔是回旋管主要結構之一，是回旋管注-波互作用的主要場所，它的結構尺 寸決定回旋管的工作頻率及其可能的工作模式，并對回旋管的工作模式的Q值也有重要影 響?？傊_放腔的結構特性關聯著回旋管的性能優(yōu)劣。但是在高次諧波回旋管中，采用傳統 的開放腔體結構，除了工作模式外，往往存在不需要的競爭模式，嚴重影響回旋管工作穩(wěn)定 性。所以設計一種具有選模結構的開放腔體結構，可以過濾競爭模式，提高工作模式Q值， 對高次諧波回旋管單模工作具有重大意義。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對以上現有技術中存在的問題，本發(fā)明提出了一種具有選模作用的高Q值太赫 茲開放腔，用在回旋管的結構設計中，解決回旋管的開放腔中模式競爭的問題。
[0005] 本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔。
[0006] 本發(fā)明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔包括：截止波導、圓柱波導、過模波 導、輻射縫和矩形光柵；其中，截止波導、圓柱波導和過模波導依次連接且共軸；圓柱波導 的半徑決定存在其內部的模式的頻率，工作模式為對稱模式，競爭模式為非對稱模式；在圓 柱波導壁上角相開設一條或多條圓環(huán)形的輻射縫；輻射縫相對非對稱的競爭模式是強輻 射，相對對稱的工作模式是弱輻射；在圓柱波導的外壁上與每一條輻射縫的位置相對應，設 置多個參數相同的矩形光柵，矩形光柵的端口與輻射縫對接，矩形光柵的端口高度與輻射 縫的寬度相同，多個矩形光柵繞軸一周將輻射縫封閉，在角向成輻射狀；通過設置矩形光柵 的參數，使得對稱的工作模式的頻率落在矩形光柵的禁帶內，而非對稱的競爭模式的頻率 落在矩形光柵的通帶內。
[0007] 傳統的開放腔包括依次連接的截止波導、圓柱波導和過模波導；截止圓柱波導防 止高頻系統中產生的微波能量向電子槍傳輸，擾亂電子注運動軌跡；過模波導可以提高傳 輸功率容量；圓柱波導是注-波互作用的主要場所，圓柱波導的半徑決定工作頻率范圍，工 作模式為對稱模式，競爭模式為非對稱模式，根據工作模式可以進一步確定工作的距離頻 率。
[0008] 本發(fā)明在圓柱波導的角向開設圓環(huán)形的輻射縫，因為對于非對稱的競爭模式，圓 柱波導壁存在軸向電流，福射縫相對競爭模式是強福射，而對稱的工作模式沒有軸向電流， 是弱輻射；在諧振過程中，由于競爭模式的能量容易輻射出去，品質因子Q值會急劇下降， 該模式就會被抑制，相反，需要的工作模式由于輻射弱，品質因子Q值降低很小。輻射縫的 寬度、在圓柱波導壁上的位置、縫間距離和條數決定Q值。輻射縫的寬度越寬輻射越強，但 是當寬度大到一定程度后，輻射的強度變化不明顯，并且由于邊界不連續(xù)性增大，會產生高 次模式諧波，所以綜合考慮，確定輻射縫的寬度不宜過大；同時，輻射縫的條數和位置決定 總的輻射強度，為了進一步使非對稱模式的電磁波能量輻射出來，在圓柱波導上軸向電流 大的地方開設輻射縫，并且開設多條縫，從而使輻射強度更大。相鄰的輻射縫之間的距離相 等，多條輻射縫成周期性排列。
[0009] 輻射縫對競爭模式和工作模式的能量都會泄漏，使得工作模式的Q值降低，因此 在圓柱波導的外壁上與輻射縫相對應的位置對接矩形光柵，通過設計矩形光柵的參數，使 得對稱的工作模式的頻率落在矩形光柵的禁帶內，會反射回去，不能從開放腔中泄漏出來， 從而Q值提高；而非對稱的競爭模式的頻率落在矩形光柵的通帶內，能量會順利通過矩形 光柵，向外輻射出去，使Q值降低，如此就可以實現選模濾波目的。矩形光柵的參數包括周 期間隙寬度a、端口高度b、周期長度d、間隙深度h和光柵寬度w。
[0010] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的選模 方法。
[0011] 本發(fā)明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的選模方法，包括以下步驟：
[0012] 1)圓柱波導的半徑決定工作頻率范圍，選擇對稱的工作模式，得到工作模式的頻 率；
[0013] 2)確定競爭模式，競爭模式為非對稱的模式，主要競爭模式的頻率與工作模式的 頻率相近；
[0014] 3)根據競爭模式的輻射量與輻射縫的縫寬的關系，通過參數掃描分析繪制輻射量 與縫寬的關系曲線，選擇在曲線平穩(wěn)之前的點作為縫寬；
[0015] 4)根據競爭模式在圓柱波導壁上電流分布特點，確定輻射縫在圓柱波導壁上的位 置、縫間距離和條數；
[0016] 5)根據矩形光柵的本征方程以及參數之間的關系，并且結合數值仿真軟件進行參 數優(yōu)化，設計矩形光柵的參數，使得對稱的工作模式的頻率落在矩形光柵的禁帶內，不能從 開放腔中泄漏出來，而非對稱的競爭模式的頻率落在矩形光柵的通帶內，能量會順利通過 矩形光柵，矩形光柵的參數包括周期間隙寬度a、端口高度b、周期長度d、間隙深度h和光柵 寬度w，端口高度b與輻射縫的寬度一致，矩形光柵的本征方程： v x \y
[0019] 其中，Tn2+0n=k2, 0n是第n個空間波軸向波數，tn是第n個空間波的橫向中 蓋板到槽方向的波數，k是修正后的空間波數，n= ±1、±2、±3、…，f為工作頻率，c為真 2,Tf1 空光速，久=A+Y，0C)是空間基波軸向波數，可以根據該方程，及其參數之間的關系， a 計算出禁帶特性。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點：
[0021] 本發(fā)明在圓柱波導壁上開設輻射縫，輻射縫相對非對稱的競爭模式是強輻射，相 對對稱的工作模式是弱輻射；進一步在每一條輻射縫上對接矩形光柵，使得對稱的工作模 式的頻率落在矩形光柵的禁帶內，提高工作模式的Q值，而非對稱的競爭模式的頻率落在 矩形光柵的通帶內，降低競爭模式的Q值，從而實現選模濾波；本發(fā)明能夠有針對性地對競 爭模式造成散射損耗，提高回旋管的工作穩(wěn)定性及其工作效率，這對太赫茲電子回旋管的 發(fā)展有重要推動作用。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的在圓柱波導壁上開設輻射縫的開放腔的剖面圖；
[0023]圖2為TE24模式的傳輸特性與輻射縫的縫寬的關系曲線圖；
[0024] 圖3為TE24模式的輻射量與輻射縫的縫寬的關系曲線圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的一個實施例的示意圖，其 中，（a)為軸向示意圖，（b)為角向示意圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明的矩形光柵的一個實施例的立體結構示意圖；
[0027] 圖6為矩形光柵100GHz~1150GHz傳輸特性的曲線圖；
[0028] 圖7為矩形光柵293GHz~301GHz傳輸特性的曲線圖；
[0029]圖8為本發(fā)明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的一個實施例的整體結構示 意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0031] 如圖1所示，傳統的開放腔包括依次連接的截止波導1、圓柱波導2和過模波導3; 在本實施例中，截止波導的半徑艮=2_，長度1。= 3mm;圓柱波導的半徑1^= 2. 12_，長 度L= 10mm;過模波導的半徑R= 2. 3mm，長度LQ= 3mm。圓形波導的工作頻率由公式：
[0032]
[0033] 其中&是圓柱波導的半徑，c是光速，p'^是第一類n階貝塞爾函數導數的第m 個根，根據這個表達式可以確定圓柱波導在TE模式下各個模式的頻率。選擇工作模式為對 稱的TEM模式，競爭模式為TE24模式。根據貝塞爾函數的根植表易知，P' M= 13. 32369,而 P'24= 13. 17037。TEQ4模式的頻率在fQ4= 300GHz，那么半徑為RQ= 2. 12mm的圓柱型波 導，此時TE24模式的頻率為f24= 296. 35GHz，相差頻率為Af= 3. 65GHz，為TEM模式的主 要競爭模式，嚴重影響注_波互作用效率，使回旋管的工作模式穩(wěn)定性降低。
[0034] 根據TEM模式和TE24模式在圓柱波導壁上電流分布特點，提出在圓柱波導角向開 設輻射縫，因為對于非對稱的te24模式，圓柱波導壁存在軸向電流，角向縫相對該模式是強 輻射縫，