CN103311076A - 一种行波再生反馈振荡系统 - Google Patents
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Abstract
一种行波再生反馈振荡系统，属于真空电子技术领域。该振荡系统由噪声、电子枪、电子束会聚模块、隔离器、慢波电路、耦合器、衰减器、移相器、射频输出模块组成。由电子枪产生的电子束经过会聚后，与经过慢波电路的噪声相互作用，放大后的信号通过耦合器后，耦合输出端经衰减器与移相器，被改变幅度与相位的信号再一次与噪声同电子束相互作用，以此循环，最后可通过耦合器至射频输出，即产生需求的射频信号。本发明提出的行波再生反馈振荡系统，克服公知技术输出频率不易调节与不稳定等缺陷，并具有功率与效率高、成本低、体积小、易于加工实现等优点，在亚毫米波至太赫兹频段有显著优势。
Description
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种改进的行波再生反馈振荡系统，该系统可适用于高功率高频率信号源，在亚毫米波至太赫兹频段具有显著优势。
背景技术
亚毫米波（波长0.1～1mm）至太赫兹（THz，频率100GHz-100THz）频段的电磁波处于电子学和光学的交界处，具有光子能量低、频带宽、脉冲窄、指纹性、辐射小、信噪比高等特殊性质，其在物理、化学、天文学、生物学等领域得到广泛的关注，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阔的应用前景。
在太赫兹波段的研究中，距离大力全面的发展，最严峻的瓶颈是THz辐射源的匮乏。如何得到稳定可靠、高效高能以及低成本的辐射源，一直是最热门的研究方向之一。亚毫米波电真空器件虽然较其它器件在功率、效率上具有显著优势，但其工作机理决定了器件如果过小，电子注电流与电压必定有限，限制了功率、频率的进一步提升。与传统方式如激光器、回旋管、速调管等技术相比，近年得到发展的行波振荡器具有相对带宽宽、成本低、体积小等优点，在理论与实验中得到了一定的证明。
现有的一种行波振荡器，如图1所示，包括电子束噪声1、功率合成器2，行波管3、耦合器4、衰减器5及射频输出6组成。其原理为将电子束噪声1引入输入行波管2，行波管2输出信号一部分通过耦合器4和反馈回路的衰减器5后与新的电子束噪声1经功率合成器2叠加后重新输入行波管3，行波管3最终输出信号经耦合器4射频输出与行波管放大器的饱和输出功率相关的输出信号。
上述行波振荡器中，放大回路由单独的行波管担任，由于行波管通常生产加工完成后难以调节工作电压和放大倍率，所以该行波振荡器的输出频率范围受到很大的限制。
同时，上述行波振荡器中，反馈系统包括耦合器与衰减器，即进入正向放大器的输出信号通过耦合至衰减器衰减后与电子束噪声信号进行合成，该信号的幅度与相位变化均由反馈回路的衰减器决定。对于一般的衰减器，其相移一般为固定值，这使得满足振荡系统条件的输出信号频率与功率受到很大限制，且输出信号容易存在多模的非线性现象。
再有，上述行波振荡器中，噪声与反馈系统合成的信号在进入行波管放大器后，容易发生自激振荡现象，会导致系统效率降低、最终的输出信号不稳定，甚至烧毁现象。
发明内容
本发明提供一种改进的行波再生反馈振荡系统，用于产生亚毫米波段至太赫兹波段的高功率高频信号。该行波再生反馈振荡系统将含有衰减器与移相器的正反馈电路耦合在行波慢波放大器的输出端与输入端之间，构成再生反馈振荡回路，将电子束、噪声与自身产生的信号选择放大，最终实现稳态的信号输出。本发明克服了传统回旋管产生高功率高频信号的信号带宽窄、效率低的不足，同时克服了利用速调管、激光器产生高功率高频信号的体积大、成本高的不足，与现有的行波振荡器相比，输出信号更加稳定、效率更高。
本发明技术方案是：
一种行波再生反馈振荡系统，如图2所示，包括电子枪1、电子束会聚模块2、噪声电磁波信号3、功率合成器4、隔离器5、慢波电路6、耦合器7、衰减器8、移相器9、射频输出模块10。电子枪1产生的电子束经电子束会聚模块2聚焦后得到低半径电子束，所得低半径电子束与噪声电磁波信号3经功率合成器4叠加后一同穿过隔离器5后进入慢波电路6，低半径电子束与减慢轴向速度的噪声电磁波发生电子束-电磁波互作用，电子束将能量传递给噪声电磁波，将噪声电磁波信号功率放大；放大后的噪声电磁波信号经耦合器7耦合端输出，再经过衰减器8与移相器9，其幅度与相位发生相应的变化；经过放大、衰减与相位变化后的噪声电磁波信号与低半径电子束、噪声信号经功率合成器4叠加后穿过隔离器5后进入慢波电路6再次发生电子束-电磁波互作用；进一步放大后的噪声电磁波信号再次经耦合器7的耦合端输出，再次经过衰减器8与移相器9后与低半径电子束、噪声信号经功率合成器4进行叠加进入慢波电路6，如此形成循环；最终在耦合器7的输出端获得稳定的功率输出，并经过射频输出模块10输出高频高功率电磁波信号。
本发明采用将电子束、电子束会聚模块与慢波电路分离的方式替代现有的行波管放大器，可以改善输出频率的范围，且更易于系统中高频器件的加工。同时，将噪声与功率合成加在电子束会聚后，可改善系统效率。同时，本发明采用衰减器与移相器构成反馈回路，可使输出信号频率稳定，容易获得稳态单频信号。采用隔离器可使输入信号进入慢波电路时单向传播，同时抑制慢波电路中返波振荡，改善输出信号。
在耦合器7的输出端的输出信号起初为放大后的噪声电磁波信号，在经过振荡系统后一定时间（微秒量级）内，该输出信号变为满足一定的振荡条件的稳态单频或多频信号。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明结合行波放大器与振荡器各自特点，保证效率的情况下可以显著提升功率与带宽。
2、利用本发明提供的行波再生反馈振荡系统所产生的射频信号频带上限可达到数百吉赫兹（GHz）至数太赫兹（THz），带宽可达数百吉赫兹。
3、本发明具有功率高、效率高，在数百吉赫兹频率下输出功率可达到瓦特级（>30dBm），效率可达1%以上。
4、输出信号频率稳定，可产生稳态的单频信号输出。
5、容易在一定范围内自由调节输出信号的频率与功率。
附图说明
图1为公知技术的行波振荡器结构示意图。
其中：1为电子束噪声，2为功率合成器，3为行波管，4为耦合器，5为衰减器，6为射频输出。图中箭头所示方向为信号传输方向。
图2为本发明提供的行波再生反馈振荡系统的结构示意图。
其中：1为电子枪，2为电子束会聚模块，3为噪声电磁波信号，4为功率合成器，5为隔离器，6为慢波电路，7为耦合器，8为衰减器，9为移相器，10为射频输出模块。图中箭头所示方向为信号传输方向。
具体实施方式
一种行波再生反馈振荡系统，如图2所示，包括电子枪1、电子束会聚模块2、噪声电磁波信号3、功率合成器4、隔离器5、慢波电路6、耦合器7、衰减器8、移相器9、射频输出模块10。电子枪1产生的电子束经电子束会聚模块2聚焦后得到低半径电子束，所得低半径电子束与噪声电磁波信号3经功率合成器4叠加后一同穿过隔离器5后进入慢波电路6，低半径电子束与减慢轴向速度的噪声电磁波发生电子束-电磁波互作用，电子束将能量传递给噪声电磁波，将噪声电磁波信号功率放大；放大后的噪声电磁波信号经耦合器7耦合端输出，再经过衰减器8与移相器9，其幅度与相位发生相应的变化；经过放大、衰减与相位变化后的噪声电磁波信号与低半径电子束、噪声信号经功率合成器4叠加后穿过隔离器5后进入慢波电路6再次发生电子束-电磁波互作用；进一步放大后的噪声电磁波信号再次经耦合器7的耦合端输出，再次经过衰减器8与移相器9后与低半径电子束、噪声信号经功率合成器4进行叠加进入慢波电路6，如此形成循环；最终在耦合器7的输出端获得稳定的功率输出，并经过射频输出模块10输出高频高功率电磁波信号。
本发明产生高功率射频信号的实现步骤如下：
1)产生会聚的电子束：由1电子枪产生的电子束，经过2电子束会聚模块，聚焦后得到低半径电子束。
2)会聚后的低半径电子束与噪声电磁波信号一同穿过隔离器5后进入慢波电路6，低半径电子束与减慢轴向速度的噪声波发生电子束-电磁波波互作用，电子束将能量传递给噪声电磁波，将噪声电磁波信号功率放大。
3)放大后的噪声电磁波信号经耦合器7耦合端输出，再经过衰减器8与移相器9，其幅度与相位发生相应的变化。
4)经过放大、衰减与相位变化的噪声电磁波信号与低半径电子束、噪声电磁波信号3进行混合，作为新的输入信号进入反馈系统。
5)输入信号经过隔离器5与慢波电路6，再一次进行电子束与电磁波的互作用，输出放大的信号。
6)放大信号再次经耦合器7耦合端输出，通过衰减器8与移相器9后再次与低半径电子束与噪声电磁波信号3进行叠加，以此形成循环。
7)满足一定的振荡条件后，最终可在耦合器的输出端产生稳态的功率输出，通过射频输出模块10输出最终的高频高功率电磁波信号。
需要说明的是：
1.本发明提出的行波再生反馈振荡系统作为高频信号源，并没有输入信号端。通过电子注与其激励起的信号进行作用并振荡，由耦合输出端输出振荡信号，以获得所需要的源。电子注与信号场的相速方向及群速方向均相同，所以为了保证效率，耦合输出端需要设置在慢波结构或互作用区域的末尾。
2.由隔离器5、慢波电路6、耦合器7、衰减器8、移相器9共同构成再生反馈振荡系统，是一种正反馈系统，该系统需满足如下的振荡条件后方可输出稳态射频信号：
①振荡器系统中，每次总回路（前向放大A和反馈回路fb之和）的相位变化要求是2π的整数倍，即
②前向放大小信号增益Gss必须大于其损耗，即：
|Gss(ω0)|>α(ω0)
ω0是慢波放大电路由和反馈回路构成的等效环形谐振腔的谐振频率。
3.在功率合成器4处叠加的输入信号起初为噪声电磁波信号与低半径电子束的混合信号，在经过振荡系统后，该输入信号变为通过移相器9的信号、低半径电子束与噪声点从波信号的混合信号。由传输线理论，第n次回路的反馈信号和噪声的叠加，即第n+1次回路的输入信号可以表示为：
其中Vin(n+1)表示第n+1次回路的输入信号复数表达式，Vfb(n)和VNoise(n)分别是第n次回路的反馈信号和噪声信号。
4.正反馈系统中的反馈回路包括衰减器8和移相器9。由于电磁波信号在波导中传输存在衰减与相移的现象，所以该反馈回路可由波导结构替代。信号的衰减主要与频率和波导的材料有关。相移主要由反馈回路的长度和信号的传输速度决定：
其中，
和lfb分别为反馈回路的相移和长度，c为光速。反馈回路每次回路整体的相移变化
可由行波管放大器中的相移和
之和获得：
这样，可通过更改反馈回路的长度和材料改变，实现输出信号频率与模式的调节。
5.耦合器7的两端输出端口中，较低功率的耦合端的输出信号进入再生反馈系统循环振荡，较高功率的输出端信号作为整个系统的最终输出信号。
6.隔离器5的作用是使功率合成器4的输出信号进入慢波电路6时单向传播，同时抑制慢波电路6中的返波振荡，该振荡可能会破坏反馈系统的振荡条件。
Claims (1)
1.一种行波再生反馈振荡系统，包括电子枪（1）、电子束会聚模块（2）、噪声电磁波信号（3）、功率合成器（4）、隔离器（5）、慢波电路（6）、耦合器（7）、衰减器（8）、移相器（9）、射频输出模块（10）；电子枪（1）产生的电子束经电子束会聚模块（2）聚焦后得到低半径电子束，所得低半径电子束与噪声电磁波信号（3）经功率合成器（4）叠加后一同穿过隔离器（5）后进入慢波电路（6），低半径电子束与减慢轴向速度的噪声电磁波发生电子束-电磁波互作用，电子束将能量传递给噪声电磁波，将噪声电磁波信号功率放大；放大后的噪声电磁波信号经耦合器（7）耦合端输出，再经过衰减器（8）与移相器（9），其幅度与相位发生相应的变化；经过放大、衰减与相位变化后的噪声电磁波信号与低半径电子束、噪声信号经功率合成器（4）叠加后穿过隔离器（5）后进入慢波电路（6）再次发生电子束-电磁波互作用；进一步放大后的噪声电磁波信号再次经耦合器（7）的耦合端输出，再次经过衰减器（8）与移相器（9）后与低半径电子束、噪声信号经功率合成器（4）进行叠加进入慢波电路（6），如此形成循环；最终在耦合器（7）的输出端获得稳定的功率输出，并经过射频输出模块（10）输出高频高功率电磁波信号。
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