CN103050356B - 大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置，包括低频段慢波结构、高频段慢波结构和漂移管，漂移管连接在低频段慢波结构和高频段慢波结构之间。低频段毫米波或者太赫兹波与电子束在低频段慢波结构内互作用，产生速度调制，电子束在漂移管区产生电子群聚，产生密度调制，群聚的电子束携带信号在高频段慢波结构内激励起高频率的电磁波并被放大。本发明能够获得稳定的高频段毫米波和高频太赫兹波信号，同时具有成本低的特点。

Description

大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置
技术领域
本发明属于微波真空管件技术领域，具体的说涉及一种大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置。
背景技术
太赫兹或毫米波频段（300GHz～3000GHz）的电磁波在通信，宇航，安全，医学成像，生物化学以及制造等行业中具有非常广泛的应用前景。如何得到稳定可靠，高效高能，以及相对成本并不高昂的太赫兹辐射源，一直是太赫兹领域中热门的话题之一。由于目前对于太赫兹辐射源的相对匮乏，电真空器件又重新得到了前所未有的重视和发展。作为微波电真空领域中最主要的器件之一的行波管，一直在雷达通信和电子战中发挥着重要的作用，并且在不断发展着。而近年来，以折叠波导作为慢波结构的行波管再生反馈振荡器被提出，并且已经被证明是非常优秀的太赫兹源器件。美国Northrop Crumman Corporation在2008年的世界红外与毫米波暨太赫兹技术大会报告指出，由其研制并生产的太赫兹折叠波导行波管反馈振荡器通过调节其电子束电压，可以提供稳定的607-675GHz的信号源输出，并且在656GHz上可以达到50毫瓦的最大功率输出，电子效率为0.45％。此类器件的原理是将含有衰减器（或者由反馈回路的损耗作为衰减器）的正反馈电路接在行波管放大器结构的输出端与输入端之间，将电子注的噪声放大，最终通过振荡得出一定频率的信号。
然而现有的高频段毫米波与高频太赫兹波信号源成本高，同时输出信号的频率调谐与电子束电压关系大，易因电子束的波动造成输出信号频率的波动。
发明内容
为克服现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置，能够获得稳定的高频毫米波和高频太赫兹波信号，同时具有成本低的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置，其特征在于：包括工作在毫米波或太赫兹波的低频段的慢波结构（将之称为低频段慢波结构）、工作在毫米波或太赫兹波的高频段的慢波结构（将之称为高频段慢波结构）和漂移管，所述低频段慢波结构一端设有低频信号接口和电子束接口；所述高频段慢波结构一端设有输出端口；所述漂移管为金属管道，漂移管连接在低频段慢波结构和高频段慢波结构之间；低频段毫米波或者太赫兹波与电子束在低频段慢波结构内互作用，产生速度调制，电子束在漂移管区产生电子群聚，产生密度调制，群聚的电子束携带信号在高频段慢波结构内激励起高频率的电磁波并被放大。
进一步地，所述低频段慢波结构设有匹配负载端口。
进一步地，所述高频段慢波结构设有匹配负载端口。
进一步地，所述低频段慢波结构和高频段慢波结构为螺旋线、耦合腔或者折叠波导。
进一步地，所述漂移管为细长金属管道。
进一步地，所述高频段慢波结构还设有收集极。
本发明的工作原理是：
电子束与低频段毫米波或者太赫兹波在低频段慢波结构内互作用，产生速度调制，在漂移管区产生电子群聚，产生密度调制，群聚的电子束携带信号在高频段慢波结构内激励起高频率的电磁波并被放大。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
一、本发明的大功率毫米波与太赫兹信号倍频装置，包括低频段慢波结构、高频段慢波结构和漂移管，低频段慢波结构一端设有低频信号接口和电子束接口；高频段慢波结构一端设有输出端口；漂移管为金属管道，漂移管连接在低频段慢波结构和高频段慢波结构之间。输入的低频信号与电子束进入低频段慢波结构互作用，使电子束的速度产生了速度调制；电子束经过漂移管进行密度调制，由于非线性效应，电子束中含有高频电流分量；经过漂移管密度调制后的电子束携带信号激励进入高频段慢波结构，激励起高频信号并被放大，然后通过输出端口，输出稳定的大功率毫米波与太赫兹倍频信号源。本发明输出信号的频率调谐与电子束的电压无关，能够获得稳定的高频段毫米波或者太赫兹波信号。同时本发明使用技术更为成熟和价格更为便宜的低频信号源作为输入，获得高频的信号，具有成本低的特点。
二、本发明的低频段慢波结构设有匹配负载端口能够吸收低频电磁波，防止低频电磁波进入漂移管。
三、本发明的高频段慢波结构设有匹配负载端口，能够消除反射的影响。
三、本发明的低频段慢波结构和高频段慢波结构为螺旋线、耦合腔或者折叠波导，具有选择面广，根据不同的情况，选用不同的慢波结构，提高本发明的实用性。
四、本发明的高频慢波装置还设有收集极，能够收集注波互作用的电子，以提高管子的效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中标记：1、电子枪，2、低频信号接口，3、低频段慢波结构，4、匹配负载端口，5、匹配负载端口，6、漂移管，7、高频段慢波结构，8、信号输出端口，9、收集极。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。
本发明主要是由两段不同的慢波结构，一段工作在毫米波或太赫兹波的低频段，另一段工作在毫米波或太赫兹波段高频段，慢波结构可以是螺旋线、耦合腔、折叠波导等组成，两段之间通过一段漂移管6相连接，漂移管6为细长金属管道，只能通过电子束而不能通过电磁波。它可以看作是由以下几个部分组成，从左到右依次为： 电子枪1主要产生电子束，优选地电子枪的设计采用皮尔斯；低频信号接口2主要输入低频段的信号源；低频段慢波线结构3，在本发明中由电子枪产生的电子束在低频慢波线结构3中与低频段的信号进行互作用，使电子束的速度产生了速度调制，低频慢波线结构3的设计采用的HFSS软件制作；匹配负载端口4吸收低频电磁波，匹配负载端口5消除输入端产生的反射影响；漂移管6中由速度调制电子束转化为密度调制，由于非线性效应，其中含有高频电流分量，密度调制的电子束在进入高频段慢波结构7时会激励起高频信号并被放大，其频率为输入信号的整数倍，然后通过输出端口输出8，收集极9主要是收集注波互作用后的电子，以提高管子的效率，在本发明中可以采用多级降压收集技术，合理的设计电极的位置、电压、形状等，提高了收集的效率，并最终获得较高的整管的效率。
整个装置为真空密封结构，同时低频段慢波结构3和高频段慢波结构7外部加有均匀或者周期的聚焦磁场系统，用以聚焦电子束。

Claims (4)

1.大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置，其特征在于：包括低频段慢波结构、高频段慢波结构和漂移管，所述低频段慢波结构一端设有低频信号接口和电子束接口；所述高频段慢波结构一端设有输出端口；所述漂移管为金属管道，漂移管连接在低频段慢波结构和高频段慢波结构之间；低频段毫米波或者太赫兹波与电子束在低频段慢波结构内互作用，产生速度调制，电子束在漂移管区产生电子群聚，产生密度调制，群聚的电子束携带信号在高频段慢波结构内激励起高频率的电磁波并被放大；所述低频段慢波结构和高频段慢波结构为螺旋线、耦合腔或者折叠波导。
2.根据权利要求1所述的大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置，其特征在于：所述低频段慢波结构设有匹配负载端口。
3.根据权利要求1所述的大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置，其特征在于：所述高频段慢波结构设有匹配负载端口。
4.根据权利要求1所述的大功率毫米波与太赫兹波信号倍频装置，其特征在于：所述高频段慢波结构还设有收集极。
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