CN103346056A - 两级串联的太赫兹慢波结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两级串联的太赫兹慢波结构，包括有两级周期和齿槽宽度不等且长度、深度、通道宽度和电子束通道高度相等的慢波结构，其中第一级慢波结构的周期和齿槽宽度小于第二级慢波结构的周期和齿槽宽度，两级慢波结构的电子注输入端和电子注输出端均设有过渡渐变结构，两级慢波结构的电子注输入端串联连接，在两级慢波结构的连接处开有两个矩形孔，用于带状电子进入慢波结构。本发明主体结构简单，易于加工；高频损耗低，频率稳定性好，采用带状电子注工作，完全适合于工作在太赫兹波段；采用两个电子注，在同样的阴极发射密度下可提整管工作电流，提高了功率输出；同样的整管工作电流下，降低了带状注的电流密度，可提高电子效率。

Description

两级串联的太赫兹慢波结构
技术领域
    本发明涉及真空电子技术领域，尤其涉及一种两级串联的太赫兹慢波结构。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz范围内的电磁波，由于THz波独特的性质及在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、卫星通讯和军用雷达、国防安检等领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景，而受到越来越广泛的重视。
现有THz源的主要器件类型，根据THz辐射产生的机理，可以将其辐射源分为两大类：一类是利用电子学的方法，另一类是利用光学的方法。不过，现有大多数要么设备复杂、庞大、效率较低，要么难以在室温下运转。 缺乏小型化、大功率(1-1000mW)相干辐射源及放大器件，使得目前太赫兹技术的发展和应用仍很局限，其中0.1-1THz的大功率辐射源问题更为突出，该频段功率器件及应用研究相对较少。如何有效的产生高功率、高能量、高效率，且能在室温下稳定运转、宽带可调的THz辐射源，成为THz技术的研究热点。
近几年来，真空电子器件在THz辐射源方面取得迅速的发展，特别是微加工技术和真空电子学结合形成的微型真空电子器件。利用微波管分布作用原理，使其工作频率可以达到太赫兹波段，如返波管（BWO）、扩展互作用管（EIO）、反射速调管、纳米速调管及基于Smith-Purcell效应的奥罗管（Orotron）和自由电子激光器（FEL）等器件的工作频率已接近甚至达到1THz，THz电真空器件有望在提供较高输出功率的同时保持紧凑结构。
基于光栅结构的THz真空器件（奥罗管、SP辐射器、Cherenkov辐射器），可以很好结合现有微细加工技术。其既具有电子在真空中接近光速运动、抗干扰能力强等优点，又实现了微细加工技术高精度、低成本和易批量生产的优势，从而克服了早期机械加工、手工装配给微波真空电子器件带来的大尺寸、高能耗等缺点。因而受到高度的关注，成为THz辐射源中的热点研究领域。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种两级串联的太赫兹慢波结构。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种两级串联的太赫兹慢波结构，包括有两级周期和齿槽宽度不等且长度、深度、通道宽度和电子束通道高度相等的慢波结构，其中第一级慢波结构的周期和齿槽宽度小于第二级慢波结构的周期和齿槽宽度，两级慢波结构的电子注输入端和电子注输出端均设有过渡渐变结构，两级慢波结构的电子注输入端串联连接，在两级慢波结构的连接处开有两个矩形孔，用于带状电子进入慢波结构。
所述的两级慢波结构共用一个电子光学系统，有两个带状电子注同时工作。
所述的两级慢波结构的输出信号的相速相同。
所述的第一级慢波结构工作在返波状态，对应π-2π的-1次空间谐波，第二级慢波结构工作在前向波状态，对应2π-3π的+1次空间谐波。
本发明的工作原理是：这种两级串联的慢波结构分别工作在两个模式状态下，第一级为返波模式对应π-2π的-1次空间谐波，第二级为前向波，对应2π-3π的+1次空间谐波。在返波模式中波的相速与电子注的运动方向是相同的，而群速（也即能流的方向）与电子注的运动方向却是相反的。前向波模式中群速与电子注的方向是相同的。并且它们在慢波结构内进行能量的交换。
本发明的优点是：本发明主体结构简单，易于加工；高频损耗低，频率稳定性好，采用带状电子注工作，完全适合于工作在太赫兹波段；采用两个电子注，在同样的阴极发射密度下可提整管工作电流，提高了功率输出；同样的整管工作电流下，降低了带状注的电流密度，可提高电子效率。
附图说明
图1为本发明的俯视图。
图2为本发明慢波结构剖面图。
图3为两级慢波结构的色散曲线图。
图4为两级慢波结构的S参数图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种两级串联的太赫兹慢波结构，包括有两级周期和齿槽宽度不等且长度、深度、通道宽度和电子束通道高度相等的慢波结构，其中第一级慢波结构1的周期和齿槽宽度小于第二级慢波结构2的周期和齿槽宽度，两级慢波结构的电子注输入端和电子注输出端均设有过渡渐变结构3，两级慢波结构的电子注输入端串联连接，在两级慢波结构的连接处开有两个矩形孔4，用于带状电子进入慢波结构。
所述的两级慢波结构共用一个电子光学系统，有两个带状电子注同时工作。
所述的两级慢波结构的输出信号的相速相同。
所述的第一级慢波结构1工作在返波状态，对应π-2π的-1次空间谐波，第二级慢波结构2工作在前向波状态，对应2π-3π的+1次空间谐波。
如图1、2所示，所述的两级慢波结构中周期d和齿槽宽度b是不同的，齿槽深度h，通道宽度w，电子束通道高度2a是相同的。
设定如下具体尺寸：通道宽度 w为0.52mm，齿槽深度h为0.35mm，电子束通道2a为0.06mm。第一级慢波结构1的周期d1为0.251mm，齿槽宽度b1为0.7d1即0.1757mm。第二级慢波结构2周期d2为0.35mm，齿槽宽度b2为0.7d2即0.245mm；W1为1.18mm；W2为1 mm；电子注通道矩形口宽0.65W高1.3a；得到一个具体的两级串联慢波结构。
慢波结构色散曲线如图3所示:在两级串联慢波放大器中，相速度为0.8855×108，即0.2952C。对应空间谐波频率为300GHz，可通过调整结构尺寸改变工作频率。
传输特性S参数仿真结果如图4所示，可知在300GHz附近，反射系数S11保持在了-15dB以下，衰减系数S21保持在了-0.3dB以上，两个电子注输入端口衰减系数S31和S41保持在了-40dB以下，这些结果均说明所设计慢波结构在300GHz附近具有具有良好的传输特性，完全满足THz辐射源的要求。
 当电子注宽0.6W、高1.2a、电压24000V、电流0.03A时，利用PIC粒子模拟可得到300GHz信号输出。

Claims (4)

1.一种两级串联的太赫兹慢波结构，其特征在于：包括有两级周期和齿槽宽度不等且长度、深度、通道宽度和电子束通道高度相等的慢波结构，其中第一级慢波结构的周期和齿槽宽度小于第二级慢波结构的周期和齿槽宽度，两级慢波结构的电子注输入端和电子注输出端均设有过渡渐变结构，两级慢波结构的电子注输入端串联连接，在两级慢波结构的连接处开有两个矩形孔。
2.根据权利要求1所述的两级串联的太赫兹慢波结构，其特征在于：所述的两级慢波结构共用一个电子光学系统，有两个带状电子注同时工作。
3.根据权利要求1所述的两级串联的太赫兹慢波结构，其特征在于：所述的两级慢波结构的输出信号的相速相同。
4.根据权利要求1所述的两级串联的太赫兹慢波结构，其特征在于：所述的第一级慢波结构工作在返波状态，对应π-2π的-1次空间谐波，第二级慢波结构工作在前向波状态，对应2π-3π的+1次空间谐波。
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