CN103632910B - 基于多重级联高频结构的太赫兹源放大装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多重级联结构的太赫兹源放大装置，该太赫兹源放大装置是返波放大器与行波放大器相结合的级联式多电子注太赫兹辐射源，其利用在返波放大器中输入THz激励信号，通过返波电子注-波互作用对信号进行放大，采用双端口输出返波信号到行波高频结构中，通过行波段多重注-波互作用，实现多级放大与频带展宽，并且对多重级联结构输出的信号进行功率合成。本发明具有高功率、高增益、宽频带的特点，在实现THz集成真空电子器件方面具有绝对优势，并且在THz雷达、通信、危险物探测和成像等方面的重要应用前景。

Description

基于多重级联高频结构的太赫兹源放大装置

技术领域

本发明涉及真空电子器件技术领域，尤其涉及一种返波放大器作为激励源，基于多重级联结构的太赫兹源放大装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz，1THz＝10¹²Hz)波是指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡区。THz波具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等特性，其独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。THz频段作为一个尚待深入开发的频段资源，THz波在军事上，尤其在雷达及目标识别、宽带通信、军事侦查、危险物探测和无损检测等方面具有巨大的军事需求空间。

研究表明，THz波正在推动物理学、材料学、生物科学和天文学等多学科领域的纵深发展。在微波毫米波频段资源日益紧张的情况下，THz波频段作为一个有待深入研究和探索的频谱资源成为世界各国竞相占领的制高点，THz科学技术及其应用已成为世界各国优先发展的学科前沿和重点研究领域。

众所周知，THz波的独特性质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、紧凑可调的宽带THz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、探索新机理发展高功率、宽带THz源是十分必要的，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源(如THz-QCL等)；基于光子学的THz发生器；利用自由电子的THz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，它具有功率高、体积小以及具有足够的带宽等有优势，可发展为高功率、紧凑的THz辐射源，受到了高度关注并成为真空电子学THz辐射源的一个热点研究领域。本发明是基于高功率、高增益、宽频带和集成化研究目标提出的新型太赫兹辐射源。

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)对于单级行波管放大器而言，可以实现功率放大和频带展宽，但是目前THz频段行波管放大器输出信号带宽窄，使其在电子对抗中的雷达目标探测受到限制，另一方面，单级行波管的输出功率水平有待于提高，导致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。

目前已经研制出了THz扩展互作用振荡器，虽然可以实现较高的重复频率和较高的输出功率，但是其无法输出宽频带的信号，不利于抗干扰和成像系统中的应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于多重级联结构的太赫兹源放大装置。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于多重级联结构的太赫兹源放大装置，包括：电子枪、收集极组、磁场系统、返波放大高频结构、行波放大高频结构和功率合成装置。其中，电子枪包括底座和固定于底座且朝向同一方向并排设置的N个阴极，其中N为奇数。收集极组包括与上述电子枪各阴极分别相对设置的N个收集极。磁场系统设置于电子枪阴极和收集极组之间空间的外围。返波放大高频结构，设置于位于电子枪中间的阴极与对应收集极之间的驻波互作用区，包括：群聚段、漂移段和互作用段，其中，太赫兹信号输入端设置于群聚段，两输出端口设置于互作用区，并向两侧延伸。行波放大高频结构链，包括(N-1)/2级的行波放大高频结构组，每级的行波放大高频结构组包括对称设置于返波放大高频结构两侧的驻波互作用区的两行波放大高频结构，其中：第一级行波放大高频结构的输入端连接至返波放大高频结构的一输出端；第I级行波放大高频结构的输入端连接至第(I-1)级行波放大高频结构的输出端，其中，2≤I≤(N-1)/2。功率合成结构，其两输入端分别连接至两个第(N-1)/2级的行波放大高频结构的输出端，用于将(N-1)/2级的行波放大高频结构组输出的THz信号进行功率合成后输出。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于多重级联结构的太赫兹源放大装置具有以下有益效果：

(1)采用返波段注-波互作用区产生的THz信号作为激励，在行波段结构中进行多级放大和频带展宽，可以实现器件输出的信号具有高功率、高增益和宽频带的特性，有利于推动宽频带THz雷达和高功率THz波成像的广泛应用；

(2)通过多重行波级联高频结构，缩短了器件均匀磁场区域的直线长度，降低了电子光学系统的研制难度，减轻了磁场重量，有利于THz真空电子器件的小型化，为实现THz真空电子器件的集成化奠定理论和技术基础；

(3)在多重级联高频结构中，加入行波注-波互作用区，通过调节行波段高频结构的色散特性，可以增加输出信号带宽、改善频谱特性；

(4)调节级联高频结构中返波段工作电压，从而调节返波放大器的工作频率，实现THz器件的频率可调；

(5)通过对两个多重高频结构中输出的THz波信号进行功率合成，从而有利于实现器件的高功率输出。

本发明公开一种基于多重级联结构的太赫兹源放大装置，在提高THz真空电子器件输出功率、展宽工作频带和实现THz器件的集成化等方面的独特优势，在THz雷达、通信、危险物探测和成像等方面的重要应用前景，将加速推动THz功率源在军事雷达探测和军事保密通信中的广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例多重级联高频结构的THz源放大链的结构示意图；

图2为图1所示多重级联高频结构的THz源放大装置工作原理的示意图；

图3为图1所示多重级联高频结构的THz源放大装置的色散曲线图。

【本发明主要元件符号说明】

100-电子枪；

110-底座；120-N个阴极

121-阴极；

200-收集极组；

201-返波电子注收集极

300-磁场系统；

400-返波放大高频结构；

410-返波高频结构群聚段；420-返波高频结构漂移段；

430-返波高频结构互作用段；

500-行波放大高频结构链；

510-行波高频结构群聚段；520-行波高频结构漂移段；

530-行波高频结构互作用段；

600-功率放大结构；

700-吸收介质

800-THz波输入结构

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，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。

本发明公布一种采用返波放大器与行波放大器相结合的级联式多电子注的扩展互作用太赫兹辐射源放大链。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种多重级联高频结构的THz源放大链。如图1所示，本实施例多重级联高频结构的THz源放大装置包括：电子枪100、收集极组200、磁场系统300、返波放大高频结构400、行波放大高频结构链500和功率合成结构600。

以下分别对本实施例多重级联高频结构的THz源放大装置的各个组成部分进行详细说明。

请参照图1，电子枪100包括底座110和固定于底座110且朝向同一方向并排设置的N个阴极120，其中N为奇数。在本实施例中，N＝7。

电子枪100的阴极形状可以为圆形、椭圆形及纳米阵列阴极等任意一种形状，该N个阴极的工作电压相同、导流系数不同。

收集极组200包括与上述电子枪阴极分别相对设置的N个收集极。收集极主要是对实现注-波互作用之后的电子注进行回收。该收集极的结构可以采用常规收集极，为了提高效率也可以采用单阶或多阶降压收集极。

磁场系统300设置于电子枪100和收集极组200之间空间的外围，在磁场300的作用下，每一阴极与对应的收集极之间构成驻波互作用区。

请参照图1，返波放大高频结构400设置于位于电子枪100中间的一个阴极121与对应收集极201之间的驻波互作用区，用于对输入的THz波进行功率放大。

返波放大高频结构400沿电子注传播方向包括：群聚段410，为周期慢波结构，用于对阴极121发射的高压电子注进行群聚；漂移段420，用来抑制该返波放大高频结构中产生的振荡，提高产生信号频谱的纯度；互作用段430，用于对输入的信号进行功率放大。

其中，返波放大高频结构400的THz信号输入端设置于410返波结构群聚段，两输出端口设置于该驻波互作用区的互作用段，并向该驻波互作用区的两侧延伸。THz信号输入端可以是渐变段、均匀式、阶梯式等形状波导。此外，在该返波放大高频结构400群聚段410的末端设置吸收介质700，用于吸收返波放大高频结构400中的剩余信号。

请参照图1，行波放大高频结构链500包括(N-1)/2级的行波放大高频结构组，其中每级的行波放大高频结构组包括对称设置于返波放大高频结构400两侧的阴极与对应收集极之间的驻波互作用区的两行波放大高频结构，第一级行波放大高频结构的输入端连接至返波放大高频结构的输出端；第I级行波放大高频结构的输入端连接至第(I-1)级行波放大高频结构的输出端，2≤I≤(N-1)/2，用于对返波放大高频结构输出的THz波进一步功率放大和频率展宽。

以第二级行波放大高频结构组中位于上方的行波放大高频结构为例，该行波放大高频结构位于阴极122和对应的收集极202之间的注-波互作用区，沿电子注传播方向包括：群聚段，用于对电子束进行群聚；漂移段，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；互作用段，用于对输入的THz波进行功率放大和频带展宽。其中，该行波放大高频结构的输入端位于群聚段，连接于同侧第一级行波放大高频结构的输出端；其输出端位于互作用段，连接于同侧第三级行波放大高频结构的输入端。

请参照图1，功率合成结构600的两输入端分别连接至两个第(N-1)/2级的行波放大高频结构的输出端，用于对行波放大高频结构链输出的THz波进一步功率放大和频率展宽，并将放大和频率展宽后的高功率宽频带THz输出信号输出。

图2为图1所示多重级联高频结构的THz源放大装置工作原理的示意图。请参照图1和图2，本实施例THz源放大装置实现了由返波放大器初级放大THz信号并且通过行波互作用实现功率放大与频带展宽，其工作过程如下：

首先，电子枪100的阴极121产生返波电子注射入返波段注-波互作用区。在返波放大高频结构400的输入端输入THz激励信号。返波电子注与返波放大高频结构400相互作用产生群聚，剩余信号被吸收介质吸收，在返波高频结构的互作用段430产生THz波并初级放大。

其次，由于多重级联结构的对称性，为了避免累赘，只说明级联结构的上半部分。在返波放大高频结构400，将返波段注-波互作用产生的THz波输入到行波放大高频结构链500。在该行波放大高频结构链500中的每一个行波放大高频结构，阴极产生的电子注在其群聚段段产生群聚，通过中间漂移段对该结构产生的自激振荡进行抑制，在互作用段中进行功率放大和频带展宽，作用后电子注被收集极收集。在该部分产生的功率放大和频率展宽后的THz信号输入到下一级的行波放大高频结构中进行第二次功率放大和频带展宽，如此反复。

最后，上下两个处于第三级的行波放大高频结构产生的THz信号传输到功率合成系统600中，对两路行波信号和进行合成，通过合成波导输出。除了波导功率合成方式之外，本发明功率合成装置还可以采用空间功率合成的方式进行。

图3为图1所示多重级联高频结构的THz源放大装置的色散曲线图。由图3可知，在电子注具有相同电压情况下，调整高频结构参数，使之产生的THz信号频率相同。在返波段放大的THz信号通过双端口传输到行波结构中，实现功率放大与频带展宽。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于多重级联结构的太赫兹源放大装置有了清楚的认识。

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，例如：

(1)本案例中的阴极还可以光阴极和场致发射阴极等形式。

综上所述，本发明提供了一种基于多重级联结构的太赫兹源放大装置，该太赫兹源放大装置是返波放大器与行波放大器相结合的级联式多电子注太赫兹辐射源，其利用在返波放大器中输入THz激励信号，通过返波电子注-波互作用对信号进行放大，采用双端口输出返波信号到行波高频结构中，通过行波段多重注-波互作用，实现多级放大与频带展宽，并且对多重级联结构输出的信号进行功率合成，实现放大链具有高功率、高增益、宽频带的特点，在实现THz集成真空电子器件方面具有绝对优势，并且在THz雷达、通信、危险物探测和成像等方面的重要应用前景。

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 (6)

1.一种基于多重级联高频结构的太赫兹源放大装置，其特征在于，包括：

电子枪，包括底座和固定于所述底座且朝向同一方向并排设置的N个阴极，其中N为奇数；

收集极组，包括与上述电子枪各阴极分别相对设置的N个收集极；

磁场系统，设置于电子枪阴极和收集极组之间空间的外围；

返波放大高频结构，设置于位于电子枪中间的阴极与对应收集极之间的驻波互作用区，包括：群聚段、漂移段和互作用段，其中，太赫兹信号输入端设置于所述群聚段，两输出端口设置于互作用区，并向两侧延伸；

行波放大高频结构链，包括(N-1)/2级的行波放大高频结构组，每级的行波放大高频结构组包括对称设置于返波放大高频结构两侧的驻波互作用区的两行波放大高频结构，其中：

第一级行波放大高频结构的输入端连接至返波放大高频结构的一输出端；

第I级行波放大高频结构的输入端连接至第(I-1)级行波放大高频结构的输出端，其中，2≤I≤(N-1)/2；以及

功率合成结构，其两输入端分别连接至两个第(N-1)/2级的行波放大高频结构的输出端，用于将(N-1)/2级的行波放大高频结构组输出的太赫兹信号进行功率合成后输出。

2.根据权利要求1所述的太赫兹源放大装置，其特征在于，所述功率合成结构为采用波导功率合成或空间功率合成的功率合成装置。

3.根据权利要求1所述的太赫兹源放大装置，其特征在于，所述太赫兹信号输入端为渐变段、均匀式或阶梯式的波导。

4.根据权利要求1所述的太赫兹源放大装置，其特征在于，还包括：

吸收介质，连接于所述返波放大高频结构群聚段的末端，用于吸收返波放大高频结构中的剩余信号。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的太赫兹源放大装置，其特征在于，所述电子枪中：

所述N个阴极的工作电压相同，导流系数不同；

阴极形状为以下形状中的任意一种：圆形、椭圆形及纳米阵列。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的太赫兹源放大装置，其特征在于，所述阴极为光阴极或场致发射阴极。