CN103021770A - 一种内反馈式太赫兹行波管振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内反馈式太赫兹行波管振荡器，涉及太赫兹电磁波源技术，以行波管为基础，引入反馈机制构成振荡器。结构与现有行波管差别在于：1.在其输入端口增加一个调谐装置，该装置为一个可变短路器；2.以特殊方法设计输出端口，使其在工作频带内具有一定的反射，该反射系数为0.2左右。本发明的振荡器，在结构内部引入一个电磁波的反馈回路，在电磁波经反馈回路的相移为2π的整数倍，且慢波结构提供足够增益的条件下，器件发生振荡，输出一个或几个特定频率的电磁波。由于调谐装置可以通过机械调谐等方法在反馈回路中引入相移变化，起振电磁波的频率将会跟着变化以满足反馈回路总相移为2π的整数倍的条件，从而实现可调谐特性。

Description

一种内反馈式太赫兹行波管振荡器

技术领域

本发明涉及太赫兹电磁波源技术领域，特别涉及电真空电子器件，是一种内反馈式太赫兹行波管振荡器。

背景技术

无论要把太赫兹电磁波应用于何种用途，紧凑高效太赫兹电磁波源都是根本。可以根据工作原理可以把太赫兹源分为基于光学的太赫兹源和基于电子学的太赫兹源两大类。前者包括各种红外气体激光、各类激光驱动太赫兹辐射器、太赫兹光导天线辐射器、光整流辐射器、非线性差频辐射器、太赫兹参量振荡器和放大器(TPG，TPO，TPA)及光学Cherenkov辐射器等，这类器件的主要缺点是功率偏小。后者又可以区分为基于固态电子学的太赫兹源和基于真空电子学的太赫兹源。其中，基于固态电子学太赫兹源有各类固态振荡器和量子级联激光(QCL)，具有小巧、价格低廉和频率可调的特点，是人们希望的一种太赫兹源。但半导体器件的功率较小，且需要在低温下工作，低温环境的维持造成该类器件的运行成本较高。

基于真空电子学的太赫兹源包括各类自由电子激光(FEL)以及回旋管、速调管、EIK、返波管和行波管振荡器等电真空器件。大多数自由电子激光(FEL)需要高能加速器提供高能电子注。这类太赫兹源的特点是功率功率很大，但体积也十分庞大，不适合于对体积有要求的应用。回旋管也是一种高功率的太赫兹源，但因为需要超导强磁场对电子注进行聚焦，因此体积也十分庞大。

行波管、返波管和速调管等传统电真空器件早就显示出了在太赫兹领域获得应用的潜力。

就返波管而言，早在世纪之交以前，世界各国就研制出了工作频率直到1THz的返波管，其中大部分都产生于前苏联或俄罗斯。但当时太赫兹源的应用前景尚未彰显，因此没有得到应有的重视。现在，通过比较，人们发现返波管的功率重量比或功率体积比仍然是最高的太赫兹源之一。也就是说，返波管是最有潜力实现小型化的太赫兹源之一。因此引起了世界领域的研究兴趣。美国的CCR(Calabazas Creek Research，Inc)、Utah大学、NASA的Lewis Research Center及法国Thomson CSF DET等研究机构开展了太赫兹返波管的研究。中国学界对太赫兹返波管也具有浓厚兴趣，中科院电子所开展了一些计算机模拟研究，发表或正在发表一些阶段研究成果。另外，中国工程物理研究院应用电子学研究所研制成功了0.14THz的相对论返波管。

就速调管而言，比如近年来出现的“纳米速调管”的新概念，就其工作原理而言就是传统的反射式速调管，其区别仅仅在于有效体积达到“纳米”量级，需要特殊的新型的制造技术而已。如果所需的制造技术得到突破，“纳米速调管”将具有革命性的重大意义。当然，目前还没有成功研制出“纳米速调管”的报导。另外，采用分布式互作用的分布作用速调管(Extended interaction klystron或EIK)在最近几年获得了长足的发展。在Ka波段，世界各国早就有一些产品问世。据2006年的报导，CPI加拿大公司Ka波段的EIK系列产品功率可以达到1000W。韩国2003年报导过正在研制一种Ka波段750W的EIK研制进展，当时还处于理论设计阶段。中科院电子所曾经在上世纪20年代成功研制出Ka波段100W的脉冲型EIK样管，并提供给某测距雷达使用。近几年来，以CPI加拿大公司的EIK产品获得了长足的发展，中心工作频率迅速扩展到250GHz，显示出这种管型向更高频率发展的巨大潜力。其Ka波段EIK VZA6903E的工作频带在27-31GHz范围，1dB带宽为300MHz，饱和增益为75dB，饱和功率750W。其220GHz的EIK的功率也能达到100W以上。

就行波管而言，原则上同样可以预期其工作原理在太赫兹频域成立，因此美国Wisconsin-Madison大学的J.H.Booske及NASA的C.L.Kory等就提出了研制基于折叠波导的太赫兹行波管及行波管振荡器的设想。理论分析表明能够在560GHz获得56mW的行波管振荡器。图1是他们设想的器件的示意图。当然，目前还没有获得560GHz的实物成果的报导，但已经开展了更详细模拟研究，并进行Ka波段的试验研究。在国内，中电十二所曾经以折叠波导为基础，研制成功95GHz 10W行波管。成都电子科技大学报道了0.1THz的折叠波导太赫兹振荡辐射器的模拟研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种内反馈式太赫兹行波管振荡器，是以现有行波管为基础，引入恰当的反馈机制改制而成，体积小、功率大、便于批量生产。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种内反馈式太赫兹行波管振荡器，其以行波管为基础，引入反馈机制；包括：

(1)取消在行波管中的衰减器和夹断结构；

(2)在其输入端口增加一个调谐装置；

(3)在慢波结构输出口，引入具有一定反射的反射结构，使该处在工作频带内具有一定的反射。

所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其所述调谐装置，是一个可变短路器。

所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其所述慢波结构，为梯形慢波结构、梳状慢波结构、折叠波导慢波结构其中之一。

所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其用电磁计算软件计算：

a)所选定的慢波结构的慢波特性，根据工作频段选定慢波结构的结构尺寸；

b)通过优化计算，使在工作频段内的耦合阻抗尽可能高；

c)计算输入、输出输能结构的特性、尺寸；

d)输出输能结构与慢波结构输出端连接处的特性，使存在一定的反射；

e)参考微波、毫米波段的可变短路器，设计调谐装置，使其具有尽量大的反射系数和可控的相移调节能力。

所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其所述一定的反射，是反射系数为0.2左右。

所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其工作流程为：

a)电子注中的白噪声在慢波结构中激励起白噪声式的电磁波，并通过电子注与慢波结构的互作用得到放大；

b)被放大的电磁波大部分由输出端口输出，提供给用户使用，有一小部分电磁波受到在慢波结构输出口处的反射结构反射，返回慢波结构；

c)反射回慢波结构的部分电磁波，经过慢波结构及匹配良好的输入端口，进入外接的调谐装置后被全反射，同时被调谐装置引入一个可调节的相位差；

d)引入了相位差、并被全反射的电磁波，再度进入慢波结构成为输入信号；

e)当a)-d)步的电磁波经历反馈回路的相移为2π的整数倍时，在慢波结构提供足够增益以抵消反射损耗、欧姆损耗和介质损耗的条件下，器件发生振荡，输出一个或几个特定频率的太赫兹电磁波。且每个频率均满足本条所述相移和增益条件。

所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其所述调谐装置，通过机械调谐方法在反馈回路中引入额外相移变化，起振电磁波的频率将会跟着变化以满足循环相移为2π整数倍的条件，以实现可调谐特性。

所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其所述e)步中的反馈回路，为电磁波从输入端出发，被放大、两次被反射后回到输入端的整个回路。

所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其所述机械调谐方法，是在调谐装置为可变短路器的条件下，调节可变短路器内金属活塞的位置

本发明的内反馈式太赫兹行波管振荡器，属于电真空电子器件，其体积小、可调谐、功率大、便于批量生产。

附图说明

图1为本发明的一种内反馈式太赫兹行波管振荡器结构及原理示意图。

图中：

1-电子枪

2-电子注

3-慢波结构

4-降压收集极

5-输入输能结构

6-输出输能结构

7-调谐装置

8-反射结构

具体实施方式

本发明的一种内反馈式太赫兹行波管振荡器，从图1可以看出，与普通行波管的差别在于：

(1)在其输入端口增加了一个调谐装置，该装置可以是一个可变短路器；

(2)以特殊方法设计输出端口，使其在工作频带内具有一定的反射，其反射系数为0.2左右。

本发明的行波管振荡器，工作原理可以通过图1所示的原理示意图进行阐述。该行波管振荡器的工作原理描述如下：电子注中的白噪声在慢波结构中激励起白噪声式的电磁波，并通过电子注与慢波结构的互作用而得到放大。被放大的电磁波的大部分由输出端口输出，并提供给用户使用。有一小部分则被输出端口反射，从而返回慢波结构。这部分电磁波经过慢波结构及匹配良好的输入端口，进入外接的调谐装置后被全反射，同时被引入一个可调节的相位差，并再度进入慢波结构成为输入信号。当电磁波经历上述循环的相移为2π的整数倍，并且慢波结构提供足够增益的条件下，器件发生振荡，输出一个(或几个)特定频率的电磁波。由于调谐装置可以通过机械调谐等方法在上述循环中引入相移变化，起振电磁波的频率将会跟着变化以满足循环相移为2π的整数倍的条件，从而实现可调谐特性。

对本发明的一种内反馈式太赫兹行波管振荡器，详细描述如下：

(1)根据工作频段和工艺制造水平选取周期慢波结构。从现有的周期慢波结构看，螺旋线慢波结构在Ka波段以下获得了最为广泛的应用。但是，随着结构尺寸随频率的减小，螺旋线慢波结构的制造难度随着频率升高而逐渐增大，在W波段以上时，已经不可能制造。因此，在W波段以上，梯形慢波结构、梳状慢波结构、折叠波导慢波结构等周期慢波结构显示出更大的优势。尤其是这些慢波结构可以用平面微制造工艺进行制造，从而可以制造出适宜于工作在THz频段的微细周期慢波结构。

(2)利用任何有效的专用或通用电磁计算软件计算所选定的慢波结构的慢波特性，根据工作频段选定慢波结构的结构尺寸。通过优化计算，使在工作频段内的耦合阻抗尽可能高。

(3)利用任何有效的专用或通用电磁计算软件计算输入、输出输能结构的特性，使得匹配性能尽可能好，并确定输入、输出输能结构的结构尺寸。

(4)利用任何有效的专用或通用电磁计算软件计算输出输能结构与慢波结构输出端连接处的特性，使得存在一定的反射，作为特例，这个反射系数为0.2左右。

实际设计中可能无需引入实际的反射装置，而只需通过使输出结构的某一个尺寸(如作为输出口的波导之宽边)偏离最优化尺寸而达到反射系数为0.2左右的设计目的，亦可以通过使该尺寸具有单次或多次适当跳变而达到反射系数为0.2左右的设计目的。

(5)利用任何有效的专用或通用电磁计算软件计算设计调谐装置，使其具有尽可能大的反射系数和可控的相移调节能力。

(6)根据上述第(2)步的计算结果，选定同步电压，并以此为根据计算设计电子枪、降压收集极和电子注聚焦系统。

(7)用与现有行波管相同的制造方法制造内反馈式太赫兹行波管振荡器及其上述所需所有部件。

(8)用与现有行波管相同的测试方法测试内反馈式太赫兹行波管振荡器。

Claims (9)

1.一种内反馈式太赫兹行波管振荡器，其特征在于，以行波管为基础，引入反馈机制；包括：

(1)取消在行波管中的衰减器和夹断结构；

(2)在其输入端口增加一个调谐装置；

(3)在慢波结构输出口，引入具有一定反射的反射结构，使该处在工作频带内具有一定的反射。

2.如权利要求1所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其特征在于，所述调谐装置，是一个可变短路器。

3.如权利要求1所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其特征在于，所述慢波结构，为梯形慢波结构、梳状慢波结构、折叠波导慢波结构其中之一。

4.如权利要求1或3所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其特征在于，用电磁计算软件计算：

a)所选定的慢波结构的慢波特性，根据工作频段选定慢波结构的结构尺寸；

b)通过优化计算，使在工作频段内的耦合阻抗尽可能高；

c)计算输入、输出输能结构的特性、尺寸；

d)输出输能结构与慢波结构输出端连接处的特性，使存在一定的反射；

e)参考微波、毫米波段的可变短路器，设计调谐装置。

5.如权利要求1或4所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其特征在于，所述一定的反射，是反射系数为0.2左右。

6.如权利要求1所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其特征在于，工作流程为：

a)电子注中的白噪声在慢波结构中激励起白噪声式的电磁波，并通过电子注与慢波结构的互作用得到放大；

b)被放大的电磁波大部分由输出端口输出，提供给用户使用，有一小部分电磁波受到在慢波结构输出口处的反射结构反射，返回慢波结构；

c)反射回慢波结构的部分电磁波，经过慢波结构及匹配良好的输入端口，进入外接的调谐装置后被全反射，同时被调谐装置引入一个可调节的相位差；

d)引入了相位差、并被全反射的电磁波，再度进入慢波结构成为输入信号；

e)当a)-d)步的电磁波经历反馈回路的相移为2π的整数倍时，在慢波结构提供足够增益以抵消反射损耗、欧姆损耗和介质损耗的条件下，器件发生振荡，输出一个或几个特定频率的太赫兹电磁波。且每个频率均满足本条所述相移和增益条件。

7.如权利要求1、2或6所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其特征在于，所述调谐装置，通过机械调谐方法在反馈回路中引入额外相移变化，起振电磁波的频率将会跟着变化以满足循环相移为2π整数倍的条件，以实现可调谐特性。

8.如权利要求6所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其特征在于，所述e)步中的反馈回路，为电磁波从输入端出发，被放大、两次被反射后回到输入端的整个回路。

9.如权利要求7所述的内反馈式太赫兹行波管振荡器，其特征在于，所述机械调谐方法，是在调谐装置为可变短路器的条件下，调节可变短路器内金属活塞的位置。

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