CN103077872A - 一种多带状电子注通道的梳形慢波结构 - Google Patents

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本发明公开了一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，包括有一个两端敞开的矩形波导壁，矩形波导壁的上下端面的内壁上交错设有双排梳形齿，矩形波导壁上等间距插入若干个插片；以两端敞开的矩形波导壁的前端面的左下角为原点建立XYZ三维坐标，原点垂直向上为Z轴，原点水平向左为Y轴，原点水平向后为X轴，各个齿等间距且平行于YZ平面，各个插片平行于XZ平面。本发明具有主体结构简单，易于加工且与现代MEMS技术兼容；可忽略梳齿横向边缘效应，工作频带明显加宽；注波互作用效率高，提高了工作电流，增大输出功率是一种极具有应用潜力的新型慢波结构。

Description

一种多带状电子注通道的梳形慢波结构
技术领域
    本发明涉及一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，属于太赫兹（THz）真空电子器件领域。
背景技术
    THz波的产生是THz技术发展的关键环节。根据太赫兹辐射产生的机理，可以将其辐射源分为光学方法和电子学方法两大类。目前THZ研究领域中，缺少高功率、低造价和便携式的室温太赫兹光源是限制现代太赫兹应用的最主要因素。 
    周期束团产生的SP超辐射具有高辐射功率、高频谱纯度等特性，是提高THz源器件输出功率的一种有效途径。周期束团的获取方法也因此成为了国内外发展THz源器件的一大研究热点。有相关研究表明，利用慢波结构调制连续电子束来产生周期束团的方法可以使电子束产生有效群聚。慢波系统是决定功率放大器性能的关键部件，良好的慢波结构对于提高注波互作用起到重要作用。
发明内容
    针对利用慢波结构产生THz周期束团技术问题，提出了一种在交错型双排梳形慢波系统中插入等间距金属薄片的新型慢波结构。
本发明所采用的技术方案是：
一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：包括有一个两端敞开的矩形波导壁，矩形波导壁的上下端面的内壁上交错设有双排梳形齿，矩形波导壁上等间距插入若干个插片；以两端敞开的矩形波导壁的前端面的左下角为原点建立XYZ三维坐标，原点垂直向上为Z轴，原点水平向左为Y轴，原点水平向后为X轴，各个齿等间距且平行于YZ平面，各个插片平行于XZ平面。
所述的一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：所述的双排梳形齿中的上排齿与下排齿之间留有作为带状电子注飞行通道的距离。
所述的一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：所述的齿为矩形。
所述的一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：所述的插片为金属薄片。
所述的一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：所述的矩形波导壁的上下端面的内壁刻有两排相互交错的金属光栅。
本发明的慢波结构色散特性与“Barnett-Shin”慢波结构类似，即在空间YZ面上有交错型双排梳形结构，并且在XZ面上插入等间距金属薄片。
    本发明的优点是：
（1）本发明可实现对THz波段带状电子注预调制。
（2）本发明是由交错型双排梳形慢波系统（上下两排梳齿间错位为半个周期）中，插入等间距金属薄片，它的主体结构简单，与现代MEMS技术兼容。
    （3）横向尺寸较大的交错型双排梳形慢波系统，可忽略其高频场系在系统内部的梳齿横向边缘效应；而且插入间距较小的插片后，其工作频带明显加宽。
    （4）当在慢波结构中插入了金属薄片，其结构内部电场发生了变化，有更多的电磁场能量集中到电子飞行通道上，这样有效的提高了注波互作用效率。
    （5）本发明适合于利用带状电子注工作，可以通过调整插片数量n增大电子束横截面积，提高工作电流，增大输出功率。
附图说明
图1（a）本发明的剖面结构示意图。
图1（b）是本发明的整体结构示意图。
    图2是轴向场在慢波结构内部场分布图。
    图3是慢波结构色散曲线图。
    图4为插片间距w对系统色散特性的影响示意图。
    图5为插片数量n对系统色散特性的影响示意图。
    图6是粒子空间相位分布图。
    图7是电子束在传播方向上的能量分布图。
具体实施方式
如图1，一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，包括有一个两端敞开的矩形波导壁1，矩形波导壁1的下端面的内壁上交错设有双排梳形齿2，矩形波导壁1上等间距插入n个插片3；以两端敞开的矩形波导壁1的前端面的左下角为原点建立XYZ三维坐标，原点垂直向上为Z轴，原点水平向左为Y轴，原点水平向后为X轴，各个齿2等间距且平行于YZ平面，各个插片3平行于XZ平面。
双排梳形齿中的上排齿与下排齿之间留有作为带状电子注飞行通道的距离，齿2为矩形，插片3为金属薄片，矩形波导壁1的上下端面的内壁刻有两排相互交错的金属光栅。
如图1，n为插片数，a为带状注电子注飞行通道宽度，b为齿槽宽度，d结构周期周期，h为梳齿深度，w为插片间距，wb为插片厚度。
    慢波结构具体尺寸如下：a=0.12mm，齿槽宽度b=0.24mm， d=0.32mm， h=0.24mm，w=0.56mm，wb=20um，慢波结构宽度为2.98mm，取插片数量n分别为0、1和2时，CST计算慢波系统的1次谐波的色散曲线如图4，可以看到该结构“冷带宽”为250GHz-380GHz，完全适合于工作在太赫兹波段。插片数量n的变化不会使慢波结构的色散特性发生改变，可通过增加n，增大工作电流，提高器件输出功率。
    当插片插片数量n=1，间距w分别为1.48mm、0.98mm和0.58mm，其它结构尺寸同上时，慢波系统1次谐波的色散曲线如图5，插片间距对慢波结构的工作频带几乎起决定性作用。
    插片数量n=1，w=0.56mm，其它结构参数同上，采用放大器工作状态，在慢波结构输入端输入80毫瓦的300GHz信号，电子束尺寸：1mm×0.08mm，电压：17KV。利用CST进行粒子模拟，仿真电磁场与电子注之间的相互作用过程，三维仿真结果如图6。连续电子束在慢波结构输出端口附近产生明显的群聚，并有增强的趋势。图7为互作用1ns时电子束动能分布图，在轴向坐标x=58mm处电子束群聚状态最佳，电子束经过注波互作用形成了明显速度调整。
利用MAGIC软件建立相同的三维模型，并将周期、凹槽宽度和凹槽深度分别为0.24mm、0.12mm和0.24mm的辐射金属光栅添加到模型中。粒子模拟可以观测到辐射光栅中心位置处有电磁波辐射出，辐射角度约为90度，辐射波频率为300GHz，这一现象与超辐射理论相符。
本发明的工作原理可以描述为：
    本发明的慢波结构，较“Barnett-Shin”慢波结构，它利用插片对慢波结构内电场分布进行了调整，使更多的电磁场能量集中到电子飞行通道上，有效提高注波互作用效率。且在不影响色散的情况下，即插片间距w、系统周期d、齿槽宽度b和梳齿深度h固定的情况下，可以通过调整插片数量n增大电子束横截面积，增大器件输出功率。
    利用本慢波结构对带状电子注进行调制时，可选用放大器工作状态或振荡器工作状态，对于能量较低的带状电子注，适于采用放大器工作状态，即利用输入信号与电子束之间的注波互作用原理实现电子束预群聚。
    本慢波结构可以在信号功率较低的情况下，使连续的低压片状电子束受到调制而形成具有很高的重复频率周期束团。且束团在特定参数的辐射金属光栅表面传输时，有超辐射现象产生。MAGIC软件粒子模拟表明，该慢波系统可有效实现带状电子注速度调制，调制形成的周期束团通过特定参数金属光栅表面是可产生太赫兹波段的SP超辐射。
当横向尺寸较大的交错型双排梳形慢波系统，可忽略其高频场在系统内部的梳齿横向边缘效应，而金属薄片的插入必然会改变高频场在系统内部的横向分布。其高频场在系统内部的分布如图3。其中图4是慢波系统内部的色散分布图。因此金属薄片间距w(相邻两金属面间的距离)对插有金属薄片的交错型慢波系统色散有影响。

Claims (5)

1.一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：包括有一个两端敞开的矩形波导壁，矩形波导壁的上下端面的内壁上交错设有双排梳形齿，矩形波导壁上等间距插入若干个插片；以两端敞开的矩形波导壁的前端面的左下角为原点建立XYZ三维坐标，原点垂直向上为Z轴，原点水平向左为Y轴，原点水平向后为X轴，各个齿等间距且平行于YZ平面，各个插片平行于XZ平面。
2.根据权利要求1所述的一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：所述的双排梳形齿中的上排齿与下排齿之间留有作为带状电子注飞行通道的距离。
3.根据权利要求1所述的一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：所述的齿为矩形。
4.根据权利要求1所述的一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：所述的插片为金属薄片。
5.根据权利要求1所述的一种多带状电子注通道的梳形慢波结构，其特征在于：所述的矩形波导壁的上下端面的内壁刻有两排相互交错的金属光栅。
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