基于高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的微波放大方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的微波放大方法，本發(fā)明提供的微波放大方法是基于傳統(tǒng)梯形結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展互作用速調(diào)管，選定采用的高次工作模式，通過(guò)增大傳統(tǒng)擴(kuò)展互作用諧振腔的橫向結(jié)構(gòu)尺寸，并調(diào)整其縱向結(jié)構(gòu)尺寸，可使擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器以預(yù)定的高次模式工作。本發(fā)明在很大程度上緩解了在亞毫米波段由于器件尺寸微小所導(dǎo)致的加工、裝配難度增大，功率容量降低，電子注聚束和對(duì)準(zhǔn)的難度增大，增益減小，熱穩(wěn)定性降低等問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】
基于高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的微波放大方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種基于高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的微波放大方法。
【背景技術(shù)】
[0002]梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器具有高增益、高穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，是毫米波產(chǎn)生及放大器件研究發(fā)展的熱點(diǎn)之一。但是隨著器件頻率提升至亞毫米波范圍，由于器件尺寸大大減小(整體結(jié)構(gòu)在mm量級(jí)，腔結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到了 0.1mm甚至更小)，導(dǎo)致該器件的發(fā)展面臨著諸多問(wèn)題，包括以下幾個(gè)方面:
[0003]—、器件的工差控制及裝配操作更加困難；
[0004]二、功率容量迅速下降，限制了器件的輸出功率；
[0005]三、注通道半徑進(jìn)一步減小，電子注聚束和對(duì)準(zhǔn)的難度加大；
[0006]四、電子注半徑相應(yīng)減小，若電流密度不變，注電流則以注半徑的平方減小，這會(huì)極大降低器件的輸出功率;若提升電流密度(提升是有代價(jià)且有限的)，則空間電荷力以及熱發(fā)射效應(yīng)造成的橫向傳播速度將變得顯著，對(duì)電子注的聚束提出了更高的要求，可能導(dǎo)致電子注通過(guò)率降低，增益大大降低；
[0007]五、極少的電子注阻截或是高頻損耗產(chǎn)生的熱量都有可能造成熱損害。器件的熱耗散主要來(lái)源于電子注阻截和高頻損耗，數(shù)據(jù)表明在W波段EIKs中，輸出腔中產(chǎn)生的高頻能量70%耦合到了輸出波導(dǎo)，另外30%則耗散在電路中，這一比例在亞毫米波段急劇變化，更多的高頻能量耗散成熱量。
[0008]傳統(tǒng)的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管以TM11模式工作，其橫截面縱向電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖1所示。以該模式工作，除了前述的問(wèn)題，存在的不足:電場(chǎng)能量較為分散，沒(méi)有集中在電子注通道處，降低了束波互作用的效率;通道內(nèi)電場(chǎng)均勻性較差，導(dǎo)致電子注調(diào)制不均勻，系統(tǒng)增益下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決傳統(tǒng)梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器尺寸微小而且電場(chǎng)能量分散、電子注調(diào)制不均勻的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的微波放大方法。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的微波放大方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0011]I】根據(jù)給定頻率fo，設(shè)計(jì)工作在TM11模式下的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管，得到諧振腔Ao的尺寸參數(shù)；
[0012]2】保持頻率不變，計(jì)算工作在TM2n+1>1模式下的諧振腔如的尺寸參數(shù)；
[0013]3】將梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管中的一個(gè)或者多個(gè)諧振腔由Ao替換為A2,得到工作在TM2n+1>1模式下的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管結(jié)構(gòu)；
[0014]4】根據(jù)設(shè)計(jì)的工作在TM2n+1>1模式下的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管結(jié)構(gòu)制作高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管；
[0015]5】向高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的輸入耦合口輸入微波；
[0016]6】由高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的輸出耦合口得到放大后的輸出微波。
[0017]上述步驟2】包括以下步驟:
[0018]2.1】選定橫向高次模式TM2n+1,!和縱向模式P;
[0019]2.2】根據(jù)給定電壓和選定的縱向模式？，利用公式1=?^/2對(duì)()計(jì)算并調(diào)整縱向周期長(zhǎng)度1，得到諧振腔A1的尺寸參數(shù);其中，Vf3為電子注速度；
[0020]2.3】計(jì)算在TM2n+1, i模式下工作的諧振腔A1的諧振頻率;
[0021]2.4】等比例放大諧振腔A1的橫向參數(shù)，然后計(jì)算諧振頻率f2;
[0022]2.5】持續(xù)調(diào)整諧振腔結(jié)構(gòu)^的橫向參數(shù)，直至(5-&)/^仏，得到諧振腔結(jié)構(gòu)如;其中μ為誤差限。
[0023]上述誤差限μ為0.01 %。
[0024]本發(fā)明的有益效果在于:
[0025](I)本發(fā)明通過(guò)選擇合適的高次模式及縱向模式，可增大傳統(tǒng)梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的器件尺寸，例如:在同樣的工作條件下采用TM31,2π模，腔橫截面積約為基模的1.5倍;采用TM31，模，腔橫截面積約為基模的2.4倍，腔體積約為基模的3.6倍;采用TM51，2π模，腔橫截面積約為基模的2.6倍。這在很大程度上緩解了在亞毫米波段由于器件尺寸微小所導(dǎo)致的加工、裝配難度增大，功率容量降低，電子注聚束和對(duì)準(zhǔn)的難度增大，增益減小，熱穩(wěn)定性降低等問(wèn)題。
[0026](2)本發(fā)明以高次模式工作，可以使擴(kuò)展互作用腔內(nèi)間隙電場(chǎng)能量更集中，電場(chǎng)在通道中分布更均勻，擁有更高的特性阻抗，擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器能獲得更高增益及效率。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為基模工作時(shí)腔內(nèi)橫截面縱向電場(chǎng)分布圖；
[0028]圖2為本發(fā)明采用1131模工作時(shí)腔內(nèi)橫截面縱向電場(chǎng)分布圖；
[0029]圖3為本發(fā)明采用1151模工作時(shí)腔內(nèi)橫截面縱向電場(chǎng)分布圖；
[0030]圖4本發(fā)明技術(shù)方案的簡(jiǎn)要流程圖；
[0031 ]圖5為梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032 ]圖6為本發(fā)明實(shí)施例一的高次模式工作的功率輸出數(shù)值模擬結(jié)果；
[0033]圖7為0.34ΤΗζ基模擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器的功率輸出數(shù)值模擬結(jié)果；
[0034]圖8為本發(fā)明實(shí)施例二的高次模式工作的功率輸出數(shù)值模擬結(jié)果；
[0035]圖9為本發(fā)明實(shí)施例三的高次模式工作的功率輸出數(shù)值模擬結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明提出了一種工作在高次模式的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器的技術(shù)方案。該方案在工作頻率不變的前提下，使擴(kuò)展互作用腔尺寸更大、腔內(nèi)間隙電場(chǎng)能量更集中、通道電場(chǎng)分布更均勻，并且使擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器獲得更高增益。
[0037]該方案的實(shí)現(xiàn)方式是增大傳統(tǒng)梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用腔的橫向尺寸，使其工作在TM2n+1>1模(n>0)的某縱向模式下，縱向電場(chǎng)在橫截面上具有2n+l個(gè)極大值。圖2和圖3給出了TM31及TM51模的截面場(chǎng)分布，相比于圖1，可以看出高次模式在中心通道附近電場(chǎng)能量更集中，通道內(nèi)電場(chǎng)分布更均勻。
[0038]具體地，對(duì)于某一給定頻率fQ，先按照傳統(tǒng)梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管設(shè)計(jì)方法，得到諧振腔結(jié)構(gòu)A O的一系列參數(shù)。選定某一高次工作模式(包括橫向高次模式及縱向模式)，首先，為了使腔內(nèi)的駐波場(chǎng)與電子注速度匹配，根據(jù)給定電壓(對(duì)應(yīng)的電子注速度Ve)及選定的縱向模式P，利用I = pve/23Tfo，調(diào)整結(jié)構(gòu)AO的縱向周期長(zhǎng)度I，得到結(jié)構(gòu)Al;然后，通過(guò)理論或數(shù)值即可求得該模式在結(jié)構(gòu)Al的諧振頻率fi，顯然該頻率高于給定頻率。通過(guò)等比例放大結(jié)構(gòu)Al的橫向參數(shù)，得到諧振頻率fVj、于，選擇合適的放大倍數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)個(gè)別橫向參數(shù)尺寸進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)迭代使該頻率等于給定頻率，進(jìn)而得到具有新橫向參數(shù)的結(jié)構(gòu)A2;當(dāng)fdPfo的差值比例低于誤差限μ時(shí)便可認(rèn)為二者相等，即f2 = fo，這里的μ取0.01%較佳。最后對(duì)傳統(tǒng)梯形擴(kuò)互作用速調(diào)管中的一個(gè)或多個(gè)腔的用Α2進(jìn)行更替，由此可以得到高次模式工作的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器，圖4給出了設(shè)計(jì)流程。
[0039]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器做詳細(xì)描述。
[0040]如圖5所示，工作在高次模式的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器，包括電子注通道1、輸入耦合口 2、輸入波導(dǎo)3、輸入腔4、中間腔5、輸出腔6、輸出耦合口 7、輸出波導(dǎo)8。
[0041 ] 實(shí)施例一
[0042]在本實(shí)施例中，采用一個(gè)0.34ΤΗζ基模擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，其具有3個(gè)五間隙腔(包括I個(gè)中間腔)，結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。將該結(jié)構(gòu)橫向參數(shù)增大約1.2倍(為了與基模結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能對(duì)比，并未改變電子注通道半徑)，可以得到各腔均以TM31,2π模工作的0.34ΤΗζ高次模式擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器。當(dāng)電子注電壓15kv、電流0.5Α、注入微波信號(hào)為頻率0.34THz、功率45mW時(shí)，可得輸出功率24W，增益27.3dB，其功率輸出波形如圖6所示。作為對(duì)比，在相同的工作條件下，0.34THz基模擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器的輸出功率0.42W，增益9.7dB，其輸出功率波形如圖7所示。對(duì)比結(jié)果符合理論預(yù)期。
[0043]實(shí)施例二
[0044]在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)中間腔，各腔均以TM31，2JT模工作，注入微波信號(hào)功率為llmW，其余工作條件與實(shí)施例一相同，輸出功率120W，增益40.4dB，其功率輸出波形如圖8所示。
[0045]實(shí)施例三
[0046]在實(shí)施例二的基礎(chǔ)上，將第二個(gè)中間腔的橫向結(jié)構(gòu)增大約1.3倍，可以使該腔以TM31, 模工作，為了與電子注速度匹配，將腔的縱向周期長(zhǎng)度增大1.5倍，保持間隙寬度不變。工作條件與實(shí)施例二相同，輸出功率108W，增益39.9dB，其功率輸出波形如圖9所示。
[0047]本發(fā)明在很大程度上緩解了在亞毫米波段由于器件尺寸微小導(dǎo)致的加工、裝配難度增大，功率容量降低等問(wèn)題。相比于基模工作，采用該技術(shù)方案的擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器還具有:腔內(nèi)間隙電場(chǎng)能量更集中，通道電場(chǎng)分布更均勻及特性阻抗更高等特點(diǎn)。采用該技術(shù)方案的擴(kuò)展互作用速調(diào)管放大器在亞毫米波及更高頻段具有極大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的微波放大方法，其特征在于:包括以下步驟: I】根據(jù)給定頻率fo，設(shè)計(jì)工作在TMn模式下的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管，得到諧振腔Ao的尺寸參數(shù)； 2】保持頻率不變，計(jì)算工作在TM2n+1>1模式下的諧振腔如的尺寸參數(shù)； 3】將梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管中的一個(gè)或者多個(gè)諧振腔由諧振腔Ao替換為諧振腔A2,得到工作在TM2n+1>1模式下的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管結(jié)構(gòu)； 4】根據(jù)設(shè)計(jì)的工作在TM2n+1>1模式下的梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管結(jié)構(gòu)制作高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管； 5】向高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的輸入耦合口輸入微波； 6】由高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的輸出耦合口得到放大后的輸出微波。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的微波放大方法，其特征在于:所述步驟2】包括以下步驟: 2.1】選定橫向高次模式112?+1,1和縱向模式？； 2.2】根據(jù)給定電壓和選定的縱向模式？，利用公式1 = ?^/23^()計(jì)算并調(diào)整縱向周期長(zhǎng)度1，得到諧振腔A1的尺寸參數(shù);其中，％為電子注速度； 2.3】計(jì)算在TM2n+1, i模式下工作的諧振腔A1的諧振頻率f i; 2.4】等比例放大諧振腔A1的橫向參數(shù)，然后計(jì)算諧振頻率f2; 2.5】持續(xù)調(diào)整諧振腔結(jié)構(gòu)A1的橫向參數(shù)，直至(f2-f())/f()〈μ，得到諧振腔結(jié)構(gòu)A2;其中μ為誤差限。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于高次模式梯形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展互作用速調(diào)管的微波放大方法，其特征在于:誤差限μ為0.01 %。
【文檔編號(hào)】H01J25/10GK106098511SQ201610537795
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】王東陽(yáng), 王光強(qiáng), 王建國(guó), 曾鵬, 李爽, 滕雁
【申請(qǐng)人】西北核技術(shù)研究所