CN103137398A - 一种多频分路太赫兹行波管倍频器件 - Google Patents
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Abstract
一种多频分路太赫兹行波管倍频器件，属于真空电子器件领域，包括处于真空状态下的密封管壳，包含电子枪，慢波结构，磁聚焦系统，高频输入/输出系统，收集极和集中衰减器，所述慢波结构要以增强谐波信息为目的，进行调整设计，并按照步骤进行调整设计，所述输出系统实现基波和谐波的分路输出，基波将被匹配吸收，谐波为实际应用信息：本发明充分利用行波管中的谐波信息，利用器件内电磁波对电子注调制的非线性来实现倍频放大。
Description
技术领域
本发明属于真空电子器件领域，具体涉及到在频率进入太赫兹频段的一种多频分路太赫兹行波管倍频器件。
背景技术
太赫兹（THz）波是于频率范围在100GHz-3000GHz的电磁波，太赫兹科学与技术在军事、医疗、工业等领域具有很多潜在的应用，英、美、日等发达国家均将其视为重要的科技发展方向。太赫兹源的研发是最为基础的工作，是开展太赫兹应用研究的前提和关键。真空电子器件高频率、大功率的显著特点预示了其具有填补太赫兹间隙（THzGap）的能力。
在微波电子学领域中，行波管（TWT）是一种重要的真空电子器件，图1是已有技术中一支普通行波管的结构示意图，由图中可以看到这个器件总体结构包含如下7个部分，它们是：1电子枪，2输入系统，3慢波结构，它可以采用包括螺旋线、耦合腔、折叠波导等各种慢波结构，4磁聚焦系统，5集中衰减器，6输出系统，7收集极。该器件的工作原理概述为，电子枪组件中的阴极产生一束电子注，由聚焦系统维持一定的电子注形状，通过慢波结构中的电子注通道；高频电磁场通过输入系统进入慢波结构中并以行波的方式传输，其基波的相速度与电子速度同步，电磁场通过注波互作用在电子注中获得能量，被放大的基波信息通过输出系统耦合出来，集中衰减器的作用是防止电磁波沿慢波结构反馈而引起不希望的自激振荡，收集极则用来收集通过慢波结构后已经交出基波能量的电子。行波管具有宽频带、高增益、大动态范围和低噪声等特性，到目前为止，这种器件仍然是一种得到广泛应用的真空电子器件，但是在进一步向太赫兹频域的拓展中，行波管面临着输入功率驱动不足、精密零件加工困难、慢波结构高频损耗大、器件互作用区域小、装配工艺难以保证高流通率等技术难题。
为了将行波管的应用范围拓展到太赫兹频域，需要站在高一层次思考这种真空电子器件的工作机理。在行波管中，电子注通过慢波结构和电磁波发生充分的注波互作用后，电子注中的基波信息得到放大并达到饱和，由于行波管的非线性工作方式，电子注的空间电荷波呈现出非正弦分布状态，这说明此时的电子注除了含有被放大基波信息外，还有被同时放大的高次谐波信息。理论和实验表明当行波管处在基波过饱和的状态时，电子注的非线性特性得到加强，谐波信息也进一步增大。
在传统的行波管理论中，认为电子注中高频率谐波的能量限制了行波管所专注的基波能量，降低了行波管工作频率的输出功率。因此，在过去的工作中，往往是致力于如何提高基波输出功率，同时设法抑制以二次谐波为主的谐波功率，这一直都是宽频带行波管特别是倍频程以上行波管的关键研究内容。
而在当前的创新研究的理念中，则力求利用谐波，而不是去抑制它，基于行波管电子注内存在的大量谐波信息，利用电磁波对电子注调制的非线性来实现倍频信息放大，不仅可行，而且具有优越的性能，如功率驱动的频率低、工艺实现难度小、流通率高、输出功率大、转换增益（Conversion Gain）高等。根据太赫兹研究和应用对大功率辐射源的需要，考虑到在频率进入太赫兹频域时直接研制行波管等传统电真空器件的难度，本申请开发了这种创新的利用谐波实现倍频的电真空器件。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，针对现有技术中，普通行波管的工作状态是提高基波的输出功率，同时抑制以二次谐波为主的谐波功率，在传统的器件中，尽可能避免谐波这一不利因素破坏行波管性能参数。为了充分利用已存在于非线性电子注上的谐波信息，让它发挥有益的作用，特考虑开发一种创新的利用谐波实现倍频的器件。
本发明的目的是提供一种多频分路太赫兹行波管倍频器件。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案如下，一种多频分路太赫兹行波管倍频器件，包括处于真空状态下的密封管壳，管壳的一端设有一把包含阴极、聚焦极和阳极的电子枪组件，电子枪出口处设有慢波结构，该结构浸没在磁聚焦系统中，慢波结构的一端连有高频输入系统，另一端连有高频输出系统，高频输出系统之外设有收集极系统；慢波结构的中部设有集中衰减器，其特征在于，所述慢波结构要以增强谐波信息为目的,进行调整设计，并按照以下步骤进行调整设计：
a)编程计算慢波结构基波和谐波的色散曲线；
b)改变慢波结构尺寸分析基波、谐波与工作电压关系，直至实现基波、谐波与工作电压同步；
c)编程计算慢波结构基波和谐波的高频损耗；
d)编程计算慢波结构基波和谐波的耦合阻抗；
e)利用多频非线性软件进行注波互作用模拟，基波和谐波的色散、轴线耦合阻抗以及高频损耗均作为三维模拟的输入，直至达到所需功率要求，如无法满足则返回到b步骤；
f)验证增强谐波的设计，器件不存在自激振荡，能够正常工作，通过谐波放大获得大功率太赫兹功率输出；
在高频输出系统的主路上输出基波信息，基波信息起到器件工作状态的监控作用后被匹配吸收，同时还连有1或N路（N=2,3，……）倍频输出系统，该倍频输出系统的每条支路将倍频信息提取出来，由各自相应的高频接口输出。
本发明的有益效果是，充分利用行波管中的谐波信息，利用器件内电磁波对电子注调制的非线性来实现倍频放大，在现有的技术条件下获得太赫兹大功率输出。
附图说明
图1为已有技术中普通行波管结构示意图；
图2为多频分路太赫兹行波管倍频器结构示意图；
图3为本发明慢波结构的增强谐波设计流程图；
图4是根据本发明一个实例的所用慢波结构为折叠波导的情况下，其基波频率为90GHz时，完成增强二次谐波设计后，利用MATLAB软件自编程序模拟得到的基波和谐波与工作电压同步关系的最终结果图；
图5是根据本发明一个实例的所用慢波结构为折叠波导的情况下，其基波频率为90GHz时，完成增强二次谐波设计后，利用微波工作室套装软件（MTSS2010）仿真得到的基波和谐波输出功率的最终结果图；
图6是根据本发明一个实例的所用慢波结构为折叠波导的情况下，其基波频率为90GHz时，完成增强二次谐波设计后，利用微波工作室套装软件（MTSS2010）仿真得到的基波增益和二次谐波转换增益的最终结果图。
具体实施方式
参照图1，表示传统使用的一支普通行波管结构示意图，图中，为一支于真空密封状态下的行波管，1为端部的电子枪，组件中含有阴极、聚焦极和阳极，电子枪出口处设有慢波结构3，慢波结构的两端部分分别是高频输入系统2和高频输出系统6，慢波结构浸没在磁聚焦系统4的包围中，集中衰减器5设置在慢波结构中部，它的具体位置在参数设计中确定，在慢波结构的末端设有收集极7。
参照图2，表示本设计多频分路太赫兹行波管倍频器件结构示意图，与已知技术相比，本技术方案中，1为端部的电子枪，组件中含有阴极、聚焦极和阳极，电子枪出口处设有慢波结构3，能够保证注互作用后谐波信息最大化，慢波结构的两端部分分别是实现基波功率输入的高频输入系统2和包含频率分路器的高频输出系统6，其主路输出基波信息，基波信息起到器件工作状态的监控作用后被匹配吸收，1或N（N=2,3，……）个支路分别输出实际应用的谐波信息，慢波结构浸没在磁聚焦系统4的包围中，集中衰减器5设置在慢波结构中部，它的具体位置在参数设计中确定，在慢波结构的末端设有收集极7。
参照图3，表示本发明慢波结构的增强谐波设计流程图，图中表示按照以下步骤进行设计：
a.编程计算慢波结构基波和谐波的色散曲线；
b.改变慢波结构尺寸分析基波、谐波与工作电压关系，直至实现基波、谐波与工作电压同步；
c.编程计算慢波结构基波和谐波的高频损耗；
d.编程计算慢波结构基波和谐波的耦合阻抗；
e.利用多频非线性软件进行注波互作用模拟，基波和谐波的色散、轴线耦合阻抗以及高频损耗均作为三维模拟的输入，直至满足要求，如无法满足则返回到b步骤；
f.验证增强谐波的设计，器件不存在自激振荡，能够正常工作，通过谐波放大获得大功率太赫兹功率输出。
参照图4，是根据本发明一个实例的所用慢波结构为折叠波导的情况下，其基波频率为90GHz时，完成增强二次谐波设计后，利用MATLAB软件自编程序模拟得到的基波和二次谐波与工作电压同步关系的最终结果图，基波的相光速比为0.2640，二次谐波的相光速比为0.2646，通过选取合适的工作电压容易实现基波、二次谐波与工作电压同步。
参照图5，根据本发明一个实例的所用慢波结构为折叠波导的情况下，其基波频率为90GHz时，完成增强二次谐波设计后，利用微波工作室套装软件（MTSS2010）仿真得到的基波和二次谐波输出功率的最终结果图，此时基波的轴线耦合阻抗为4.4，二次谐波的轴线耦合阻抗为0.012，二次谐波的高频损耗设置与基波相同，基波高频损耗数值得到了实测数据的验证，理论表明在此慢波结构中二次谐波高频损耗小于基波高频损耗。三维模拟结果显示，基波工作在过饱和状态，输出功率为91.36W，二次谐波输出功率为2.35W，该数值比目前工作在该频段的返波振荡器功率大100倍。
参照图6，根据本发明一个实例的所用慢波结构为折叠波导的情况下，其基波频率为90GHz时，完成增强二次谐波设计后，利用微波工作室套装软件（MTSS2010）仿真得到的基波增益和二次谐波转换增益的最终结果图。三维模拟结果显示，基波增益为41.83dB，二次谐波的转换增益达到25.94dB。
由此可见，具体实施本发明所给出的技术设计方案，证明了其理论正确和性能优越。
Claims (1)
1.一种多频分路太赫兹行波管倍频器件，包括处于真空状态下的密封管壳，管壳的一端设有一把包含阴极、聚焦极和阳极的电子枪组件，电子枪出口处设有慢波结构，该结构浸没在磁聚焦系统中，慢波结构的一端连有高频输入系统，另一端连有高频输出系统，高频输出系统之外设有收集极系统；慢波结构的中部设有集中衰减器，其特征在于，所述慢波结构要以增强谐波信息为目的,进行调整设计，并按照以下步骤进行调整设计：
a)编程计算慢波结构基波和谐波的色散曲线；
b)改变慢波结构尺寸分析基波、谐波与工作电压关系，直至实现基波、谐波与工作电压同步；
c)编程计算慢波结构基波和谐波的高频损耗；
d)编程计算慢波结构基波和谐波的耦合阻抗；
e)利用多频非线性软件进行注波互作用模拟，基波和谐波的色散、轴线耦合阻抗以及高频损耗均作为三维模拟的输入，直至满足要求，如无法满足则返回到b步骤继续操作；
f)验证增强谐波的设计，器件不存在自激振荡，能够正常工作，通过谐波放大获得大功率太赫兹功率输出；
在高频输出系统的主路上输出用于监控工作状态的基波信息，该信息将被匹配吸收，同时还连有1或N路（N=2,3，……）倍频输出系统，该倍频输出系统的每条支路将倍频信息提取出来，由各自相应的高频接口输出。
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