CN103632909B - 级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种级联高频结构的双电子注THz波辐射源。该双电子注THz波辐射源采用返波振荡器产生THz信号作为行波放大器的激励信号，在同一个THz波辐射源中，既实现了高功率THz波产生同时又实现THz波功率放大和频带展宽，从而有利于THz波辐射源在抗干扰、有害物质检测、超宽带雷达远距离探测和高分辨率成像雷达等方面的应用。

Description

级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源

技术领域

本发明涉及真空电子器件技术领域，尤其涉及一种级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波是频率处在0.1THz-10THz(1THz＝10¹²Hz)之间的电磁波，位于发展相对成熟的微波毫米波与远红外光波之间，其独特的波长特性使得该波段在测量材料物质的光学属性、生物医学成像、表面化学及强场凝聚态物质研究等领域具有广泛的应用价值，同时在军事领域的雷达探测、保密通信也存在重要的应用前景。THz波在军事及民用领域的重要应用价值，引起了各国政府特别是军方的高度关注并且投入了大量的资源用于发展THz波科学技术。THz波在军民两用领域具有潜在的市场前景，为什么还不能获得广泛地应用特别是在国防领域呢？其中最直接也是最根本的原因是缺乏高功率、紧凑可调的室温THz波辐射源，它成为THz技术推向广泛应用的瓶颈之一。因此寻求有效方法、探索新机理发展高性能的THz波辐射源是十分必要的，并且对促进THz波在军事和民用两方面的应用具有重要的战略意义。

有多种方法可以产生THz波辐射。如：半导体THz波辐射源(如THz-QCL等)；基于光子学的THz发生器利用自由电子的THz波辐射源(包括THz真空器件、电子回旋脉塞和自由电子激光)；基于高能加速器的THz辐射源等。THz-QCL辐射源由于受到极低温度的限制成为其广泛应用的屏障,基于光子学的THz源输出的功率较低，而基于高能加速器的THz辐射源由于需要大的加速装置，其广泛应用包括在军事领域的应用也受到了极大的限制。在THz辐射源中，基于真空电子学的扩展互作用振荡器(ExtendInteractionOscillator,简称EIO)由于同时兼顾速调管及行波管的优点，具有高增益及高效率的特点，可发展为高功率、紧凑的THz辐射源，特别是EIO在THz雷达上的应用，因而受到了学者们及军方的高度关注。相对同类真空电子学器件，它具有功率高、体积小以等优势，因此它成为真空电子学THz辐射源的一个热点研究领域。

图1为现有技术工作在返波状态的THz扩展互作用振荡器的示意图。请参照图1，电子枪的阴极102产生的返波电子注105，在磁场系统101和103的约束下与两段式高频结构107相互作用产生THz波，在高频结构的开始端通过输出结构104输出，作用后的电子注被收集极106收集。该器件的特点是由噪声起振产生THz波，工作频率与电子注电压、周期高频结构参数有关，优点是不需要外加激励信号，通过调节工作电压可以实现频率可调。

图2为现有技术THz扩展互作用行波管放大器的示意图。与图1不同的是，行波管放大器多了输入信号端口201，将输入信号RF_in行波高频结构207中，通过电子枪阴极202产生的行波电子注205与高频结构相互作用，产生的THz波RF_out从输出端口4输出，剩余的电子注在被收集极206收集。该结构是普通的行波管放大器，具有功率放大和频带展宽的特性。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术THz波辐射源具有以下技术问题：

(1)对于THz振荡器辐射源，可以产生较大的输出功率，但是频带窄，不利于抗干扰和有害物质检测等方面的应用；

(2)对于行波管放大器，可以实现功率放大和频带展宽，但是对整个放大系统而言，需要外接激励信号，同时在当前条件下，激励源的功率水平受到极大的限制，使其在超宽带雷达远距离探测、高分辨率成像雷达等应用方面受到了极大的限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种级联高频结构的双电子注THz波辐射源。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种级联高频结构的双电子注THz波辐射源。该级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源包括：双电子注电子枪、返波电子注收集极、行波电子注收集极、磁场产生部件、返波-行波级联部件。其中：双电子注电子枪，包括：第一阴极和第二阴极，其中，该第一阴极用于发射出低压电子注；该第二阴极用于发射高压电子注，该低压电子注和高压电子注的传播方向相互平行。返波电子注收集极，设置于双电子注电子枪的第一阴极的正对位置，第一阴极和返波电子注收集极之间形成返波段注-波互作用区。行波电子注收集极，设置于双电子注电子枪的第二阴极的正对位置，第二阴极和行波电子注收集极之间形成行波段注-波互作用区。磁场产生部件，设置于返波段注-波互作用区和行波段注-波互作用区的两侧，用于产生垂直于低压电子注和高压电子注传输方向的磁场。返波-行波级联部件，包括：返波高频结构，设置于返波段注-波互作用区；行波高频结构，设置于行波段注-波互作用区，其波入口通过级联结构连接至返波高频结构的出口。第一阴极发射的低压电子注与返波高频结构相互作用产生太赫兹波，经过返波段高频结构作用后的低压电子注由返波电子注收集极收集，太赫兹波通过级联结构入射行波高频结构；第二阴极产生的高压电子注，在行波高频结构的作用下，对太赫兹波进行功率放大和频率展宽，经过行波高频结构作用后的高压电子注由行波电子注收集极收集，功率放大及频率展宽后的太赫兹波由行波高频结构的波出口输出。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明级联高频结构的双电子注THz波辐射源具有以下有益效果：

(1)采用返波振荡器产生THz信号作为行波放大器的激励信号，在同一个THz波辐射源中，既实现了高功率THz波产生同时又实现THz波功率放大和频带展宽，有利于THz波辐射源在抗干扰、有害物质检测、超宽带雷达远距离探测和高分辨率成像雷达等方面的应用；

(2)在同一THz源中采用返波激励行波放大，可以节省外部信号源，有利于实现THz波辐射源的小型化、紧凑化以及THz器件的系统集成，降低了器件的研制成本；

(3)通过这种级联方式实现产生与放大THz波，由于信号的产生与放大均为同一器件中，从而可以最大限度地降低外部环境对器件激励信号的干扰。

附图说明

图1为现有技术THz扩展互作用振荡器的示意图；

图2为现有技术THz扩展互作用行波管放大器的示意图；

图3为根据本发明实施例级联高频结构的双电子注THz波辐射源的结构示意图；

图4为本发明实施例级联高频结构的双电子注THz波辐射源的色散曲线。

【本发明主要元件符号说明】

301-第一阴极；302-多注电子枪底部

303-返波-行波级联结构；304-第二阴极

305-聚焦磁场；306-输出结构

307-行波电子注；308-行波电子注收集极；

309-行波高频结构；310-返波高频结构；

311-返波电子注收集极；312-返波电子注；

313-聚焦磁场。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明提供了一种级联高频结构的双电子注THz波辐射源。该级联高频结构的双电子注THz波辐射源在双电子注驱动下，低电压电子注与返波高频结构相互作用产生的THz波，通过返波-行波级联结构输入到行波高频结构中，通过高电压电子注与行波高频结构相互作用，实现功率放大与频带展宽。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种级联高频结构的双电子注THz波辐射源。图3为根据本发明实施例THz波辐射源的结构示意图。请参照图3，本实施例级联高频结构的双电子注THz波辐射源包括：双电子注电子枪、返波-行波级联部件、磁场产生部件、返波电子注收集极311、行波电子注收集极308。其中，返波-行波级联部件包括：位于同一平面上的返波高频结构310和行波高频结构309。返波高频结构的THz波出口连接至行波高频结构309的入口。

以下分别对本实施例级联高频结构的双电子注THz波辐射源的各个组成部分进行详细说明。

双电子注电子枪包括：第一阴极301和第二阴极304。其中第一阴极301用于发射低压电子注312，该低压电子注312的工作电压介于10kV-15kV之间。第二阴极304用于发射高压电子注307，该高压电子注307的工作电压介于16kV-25kV之间。其中低压电子注312和高压电子注307的传播方向相互平行。其中，双电子注电子枪可以是由圆形、椭圆形及碳纳米管阵列阴极等任意一种阴极形状构成的双阴极电子枪。

返波电子注收集极311正对双电子注电子枪的第一阴极301设置，两者之间形成返波段注-波互作用区。

行波电子注收集极308正对电子注电子枪的第二阴极304设置，两者之间形成行波段注-波互作用区。

本实施例中，磁场产生部件的305和313是圆形永磁体，设置于返波段注-波互作用区和行波段注-波互作用区的两侧，其产生垂直于电子注传输方向的磁场。在该磁场引导下，由第一阴极301发射的低压电子注312与返波高频结构310作用，而后被返波电子注收集极收集；由第二阴极304发射的高压电子注307与行波高频结构309作用，而后被行波电子注收集极308收集。

此外，本发明中，磁场产生部件还可以采用周期性永磁聚焦系统、电磁聚焦系统及静电聚焦系统等形式。

返波高频结构310为周期性结构。返波高频结构310位于第一阴极301和返波电子注收集极311之间的返波段注-波互作用区。第一阴极301发射的低压电子注312与该返波高频结构相互作用产生THz波，而经过返波段高频结构作用后的低压电子注由返波电子注收集极311收集。

返波高频结构310由三段组成，其中：第一段为预群聚段，用于与低压电子注相互作用产生预群聚电子束团；第二段为漂移段，主要用来抑制杂谱和提高群聚束团性能，第三段为THz波产生段，用于与预群聚电子束团相互作用产生THz波。在返波结构中低压电子注群速与相速相反，能量提取段在第一段。返波高频结构310中的第一段和第三段可以为任意形式的周期性结构，包括折叠波导、双光栅、螺旋线等形式的周期性结构。漂移段一般采用直波导。

需要说明的是：通过调节外部加载在第一阴极上301的工作电压，可以达到调节返波段注-波互作用区工作电压的目的，实现返波段输出的THz信号频率调节，实现本实施例THz波辐射源的频率可调。并且，使器件工作在较低电压下，能够降低对周围电磁环境的辐射。

返波-行波级联结构303主要是完成从返波输出的信号传输到行波结构中，其可以为直接连接结构、渐变状结构或阶梯状结构。

行波高频结构309为周期性结构，位于第二阴极304和行波电子注收集极308之间的行波段注-波互作用区。第二阴极304产生的高压电子注307在返波-行波级联结构303输入THz波的作用下，使电子注群聚。通过其与行波高频结构309相互作用，对该THz波进行功率放大和频率展宽，并在靠近收集极端的输出结构306输出。行波段注-波互作用后的高压电子注307被行波电子注收集极308俘获。

行波高频结构309由三段组成，其中：第一段为群聚段，用于将在返波-行波级联结构303输入信号的作用下，对从第二阴极304产生的高压电子注进行群聚，第二段为直波导段，主要用来抑制该结构中产生的振荡，提高产生的THz信号频谱纯度，第三段为互作用段，用于与群聚电子束团与行波高频结构309相互作用，产生的THz信号从输出结构306输出。

行波段注-波互作用的行波高频结构309中的第一段和第三段高频结构可以为任意形式的周期结构，其形式可以为折叠波导、双光栅、螺旋线等周期结构。输出接口306可以采用均匀输出、渐变结构输出或者天线输出等方式。

图4为本发明实施例级联高频结构的双电子注THz波辐射源的色散曲线。由图4可以看出，在该器件中实现了由返波振荡产生THz信号并且通过行波互作用实现放大输出。

本实施例级联高频结构的双电子注THz波辐射源不仅实现了THz信号的产生，而且还实现了THz信号的放大，从而有利于实现微型THz真空电子器件的紧凑化和集成化，并且，通过级联高频结构，缩短了注-波互作用距离，降低了电子光学系统的研制难度，减轻了磁场重量。

至此，已经结合附图对本实施例旋进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明THz波辐射源有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明提供一种级联高频结构的双电子注THz波辐射源。该THz波辐射源采用返波振荡器产生THz信号作为行波放大器的激励信号，在同一个THz源中，既实现了高功率THz波产生同时又实现THz波功率放大和频带展宽，有利于THz波辐射源在抗干扰、有害物质检测、超宽带雷达远距离探测和高分辨率成像雷达等方面的应用

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于，包括：

双电子注电子枪，包括：第一阴极和第二阴极，其中，该第一阴极用于发射出低压电子注；该第二阴极用于发射高压电子注，该低压电子注和高压电子注的传播方向相互平行；

返波电子注收集极，设置于所述双电子注电子枪的第一阴极的正对位置，所述第一阴极和所述返波电子注收集极之间形成返波段注-波互作用区；

行波电子注收集极，设置于所述双电子注电子枪的第二阴极的正对位置，所述第二阴极和所述行波电子注收集极之间形成行波段注-波互作用区；

磁场产生部件，设置于返波段注-波互作用区和行波段注-波互作用区的两侧，用于产生垂直于所述低压电子注和高压电子注传输方向的磁场；

返波-行波级联部件，包括：

返波高频结构，设置于所述返波段注-波互作用区；

行波高频结构，设置于所述行波段注-波互作用区，其波入口通过级联结构连接至所述返波高频结构的出口；

其中，所述第一阴极发射的低压电子注与所述返波高频结构相互作用产生太赫兹波，经过返波段高频结构作用后的低压电子注由返波电子注收集极收集，所述太赫兹波通过级联结构入射行波高频结构；所述第二阴极产生的高压电子注，在所述行波高频结构的作用下，对所述太赫兹波进行功率放大和频率展宽，经过行波高频结构作用后的高压电子注由行波电子注收集极收集，功率放大及频率展宽后的太赫兹波由行波高频结构的波出口输出。

2.根据权利要求1所述的级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于，所述连接行波高频结构和返波高频结构的级联结构为：直接连接结构、渐变状结构或阶梯状结构。

3.根据权利要求1所述的级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于，所述返波高频结构包括：预群聚段、漂移段和THz波产生段，其中：

所述预群聚段，用于与低压电子注相互作用产生预群聚电子束团；

所述漂移段，用来抑制太赫兹波信号杂谱和提高群聚电子束团的性能；

THz波产生段，用于与预群聚电子束团相互作用产生太赫兹波。

4.根据权利要求3所述的级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于：

所述漂移段为直波导；

所述预群聚段和THz波产生段为以下周期性结构中的其中一种：折叠波导、双光栅波导和螺旋线波导。

5.根据权利要求1所述的级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于，所述行波高频结构包括：群聚段、直波导段和互作用段，其中：

所述群聚段，用于将在级联结构输入太赫兹波的作用下，对从第二阴极产生的高压电子注进行群聚；

所述直波导段，用于抑制行波高频结构中产生的振荡，提高产生的THz信号频谱纯度；

互作用段，用于群聚电子束团与行波高频结构相互作用，产生的太赫兹波信号从输出结构输出。

6.根据权利要求5所述的级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于，所述群聚段和互作用段为以下周期性结构中的其中一种：折叠波导、双光栅波导和螺旋线波导。

7.根据权利要求5所述的级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于，所述行波高频结构采取以下方式其中之一输出：均匀输出、渐变结构输出或者天线输出。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于，所述双电子注电子枪中第一阴极和第二阴极的阴极形状为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形和纳米阵列。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于，所述磁场产生部件为以下形式的一种：永磁体、周期性永磁聚焦系统、电磁聚焦系统和静电聚焦系统。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源，其特征在于，所述低压电子注的工作电压介于10kV-15kV之间；所述高压电子注的工作电压介于16kV-25kV之间。