CN102739170A - 一种用于太赫兹功率放大器的高频结构 - Google Patents

一种用于太赫兹功率放大器的高频结构 Download PDF

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杨军
李娇娇
邓光晟
阮久福
杨路路
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Abstract

本发明公开了一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，属于太赫兹真空电子器件领域。高频结构由两段矩形金属光栅、球面镜和柱面镜构成的准光学谐振腔、矩形金属波导和矩形耦合孔等构成，系统所用金属材料均为无氧铜。两段矩形金属光栅周期分别恒为d1和d2，两段矩形金属光栅中间为金属平面结构。本发明是一种实现太赫兹电磁波信号放大的方法。具有光栅结构简单、易加工、模式密度低、电子效率和散热性能好的特点。

Description

一种用于太赫兹功率放大器的高频结构
技术领域
本发明涉及太赫兹真空电子器件领域，具体为一种用于太赫兹功率放大器的高频结构。
背景技术
由于THz波独特的性质及在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文，尤其是在卫星通讯和军用雷达、国防安检等领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景，而受到越来越广泛的重视。然而直到目前为止，太赫兹技术的发展和应用仍很局限，其主要障碍就是其发射和接收装置至今仍然十分笨重而且昂贵。
根据THz辐射产生的机理，可以将其辐射源分为两大类：一类是利用电子学的方法，另一类是利用光学的方法。不过，其中大多数要么设备复杂、庞大、效率较低，要么难以室温下运转。如何有效的产生高功率、高能量、高效率，且能在室温下稳定运转、宽带可调的THz辐射源及功率放大器件，成为THz技术的研究热点。
真空电子器件在THz辐射源方面取得迅速的发展，特别是微加工技术和真空电子学结合形成的微型真空电子器件，利用微波管分布作用原理，使工作频率可以达到太赫兹领域。由片状电子束在开放式谐振腔内激发产生电磁场的绕辐射器件，可用作小型紧凑型太赫兹辐射源，但无法实现对输入信号的功率放大，且电子效率较低。
发明内容
本发明目的是提供一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，以解决现有技术奥罗管无法实现功率放大及电子效率较低的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，其特征在于：包括有矩形金属波导、具有上、下反射面的准光学谐振腔、两段矩形金属光栅，两段矩形金属光栅之间连接有构成漂移区的金属平面结构，其中一段矩形金属光栅置于矩形金属波导中，另一段矩形金属光栅置于准光学谐振腔下反射面上。
所述的一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，其特征在于：所述准光学谐振腔上反射面由球面镜构成，下反射面由柱面镜构成，球面镜、柱面镜镜面相对，置于准光学谐振腔中的矩形金属光栅嵌入柱面镜上，所述球面镜中心位置设置有矩形输出耦合孔。
所述的一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，其特征在于：置于矩形金属波导中的矩形金属光栅嵌入矩形金属波导下表面内壁上。
所述的一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，其特征在于：两段矩形金属光栅周期恒定。
本发明提供了一种用于太赫兹功率放大器的高频结构。高频结构中，由其中一段矩形金属光栅和矩形金属波导组成矩形加载波导，通过输入THz信号可以对片状电子束进行调制，调制过的电子束经过金属平面结构构成的漂移区后产生群聚；适当选取另一段矩形金属光栅和准光学谐振腔所组成的结构的尺寸，实现系统单模工作状态下大功率高频信号的输出。
本发明提供的高频结构与带状注电子光学系统相结合，构成了一种结构紧凑、便于设计、易加工和散热性能好的太赫兹功率放大器，同时提高了器件功率容量和电子效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为发明结构轴向全剖视图。
图3为置于矩形金属波导中的矩形金属光栅和矩形金属波导组成的加载波导色散曲线图。
图4为置于准光学谐振腔中的矩形金属光栅和准光学谐振腔组成的慢波结构色散曲线图。
具体实施方式
如图1、图2所示。一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，包括有矩形金属波导3、具有上、下反射面的准光学谐振腔、两段周期恒定的矩形金属光栅1、2，两段矩形金属光栅1、2之间连接有构成漂移区的金属平面结构4，其中一段矩形金属光栅1置于矩形金属波导3中，另一段矩形金属光栅2置于准光学谐振腔下反射面上。
准光学谐振腔上反射面为由球面镜6构成，下反射面由柱面镜5构成，球面镜6、柱面镜5镜面相对，置于准光学谐振腔中的矩形金属光栅2嵌入柱面镜5上，球面镜6中心设置有矩形输出耦合孔7。置于矩形金属波导3中的矩形金属光栅1嵌入矩形金属波导3下表面内壁上。
本发明由两段矩形金属光栅、上下反射面分别为球面镜6和柱面镜5的准光学谐振腔、矩形金属波导3、设置在球面镜6中心的矩形输出耦合孔7组成。两段矩形金属光栅中，置于矩形金属波导3中的第一段矩形金属光栅1周期恒为d1，置于准光学谐振腔中的第二段矩形金属光栅2周期恒为d3，两段矩形金属光栅1、2中间通过金属平面结构4连接。
由电子枪产生的片状电子束在第一段矩形金属光栅表面运动时，与加载波导内输入的高频信号的某次空间谐波同步，使电子束受到调制。被调制的电子束在经过漂移区（金属平面结构）后，形成了高度群聚的电子束团。
群聚电子束团在第二段矩形金属光栅表面运动时，第二段矩形金属光栅表面会有SP辐射产生，辐射场中部分空间谐波在准光学谐振腔内形成稳定振荡。适当地选取慢波系统的结构参数，使在准光学谐振腔内形成稳定振荡的某一空间谐波频率与输入信号频率一致，且这一空间谐波与群聚的电子束团同步，最终实现对高频输入信号的放大。放大后的高频信号通过球面镜上的矩形耦合孔输出。
本发明中，嵌于矩形金属波导下表面内壁上的第一段矩形金属光栅长度L1为5mm，周期d1为0.1mm。第一段矩形金属光栅上凹槽深度h1为0.12mm，宽度b1为0.04mm。置于准光学谐振腔中的第二段矩形金属波导壁厚k为0.1mm，窄边尺寸b为0.5mm，宽边尺寸a为4mm，长度L1为5mm。利用仿真软件CST搭建由上述数结参数确定的结构模型，并分析所建结构的色散特性，得到的色散曲线如图3所示。图3中βh1是空间谐波轴向传播常数与矩形金属光栅的第一段上凹槽深度h1的乘积，kh1是是空间谐波的自由空间传播常数与矩形金属光栅的第一段的段上凹槽深度h1的乘积。由图3可知：300GHz的高频信号通过耦合装置进入由上述结构参数确定的结构时，高频信号的负一次空间谐波可以使速度为0.1倍光速的电子束受到调制。
调制过的电子束在金属平面结构表面漂移一段距离后，形成了高度群聚的电子束团。金属平面结构长度L1为7mm，连接在置于矩形金属波导中的第一段矩形金属光栅和置于口径L2为7mm的方形柱面镜上的第二段矩形金属光栅之间。
已经高度群聚的电子束团在第二段矩形金属光栅表面运动时，第二段矩形金属光栅表面有SP辐射产生。第二段矩形金属光栅第长度L2为8mm，周期d2为0.1mm，嵌于口径L2为7mm的方形柱面镜上，其表面到口径L2为7mm的方形球面镜之间的距离f为2mm。第二段矩形金属光栅上凹槽深度h2为0.25mm，宽度b2为0.05mm；根据切伦科夫同步条件，计算所得结构的奥罗管模式一次空间谐波色散曲线，如图4所示。图4中vp/c为奥罗管模式一次空间谐波沿矩形金属光栅的第二段表面传播的速度与光速之比，λ为空间谐波波长。由图4可知：速度为0.1倍光速的群聚电子束团与SP辐射产生的300GHz高频信号的罗管模式一次空间谐波同步。
结合色散曲线图3和图4，可以得出：本发明提供的高频结构可用于太赫兹波段的功率放大器件中，实现对高频输入信号的放大。

Claims (4)

1.一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，其特征在于：包括有矩形金属波导、具有上、下反射面的准光学谐振腔、两段矩形金属光栅，两段矩形金属光栅之间连接有构成漂移区的金属平面结构，其中一段矩形金属光栅置于矩形金属波导中，另一段矩形金属光栅置于准光学谐振腔下反射面上。
2.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，其特征在于：所述准光学谐振腔上反射面由球面镜构成，下反射面由柱面镜构成，球面镜、柱面镜镜面相对，置于准光学谐振腔中的矩形金属光栅嵌入柱面镜上，球面镜中心设置有矩形输出耦合孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，其特征在于：置于矩形金属波导中的矩形金属光栅嵌入矩形金属波导下表面内壁上。
4.根据权利要求1所述的一种用于太赫兹功率放大器的高频结构，其特征在于：两段矩形金属光栅周期恒定。
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