CN105551920B - 一种超宽带大功率太赫兹辐射源 - Google Patents

一种超宽带大功率太赫兹辐射源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超宽带大功率太赫兹辐射源，包括一个阴极、慢波结构、能量输出耦合器以及一个终端匹配器，其中能量输出耦合器为一个三端口元件，阴极产生的带状电子注，从带状电子注入口进入能量输出耦合器，然后从慢波结构连接口输出到慢波结构，产生太赫兹辐射源信号，在终端匹配器反射后，再经过慢波结构，回到能量输出耦合器中，最后，通过太赫兹辐射源信号输出端口输出。本发明具有超宽调谐工作、瓦量级的大功率；起振条件很容易被满足，对于电子注的电流密度要求较低；输出太赫兹辐射源信号稳定，频谱纯净；工作电压低、小型化、易于加工和装配等特点。

Description

一种超宽带大功率太赫兹辐射源
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种超宽带大功率太赫兹辐射源。该发明是基于申请人2015年12月21日申请的、申请号为201510965016.0、名称为“一种超宽带准开放的慢波结构”的发明专利申请而提出的。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1—10THz(波长在0.03～3mm)范围内的电磁波，由于该波段兼有毫米波与红外光两个区域的特性,因而融合了毫米波和红外光的优点。太赫兹技术在高速数据传输、高精度成像雷达、化学或生物图谱分析、生物医学诊断和材料分析等领域有着广泛的应用前景。而太赫兹波的产生是太赫兹技术应用的基础。尽管各种复合材料的发展大大的推动了固态电子器件的发展，但是其输出功率水平仍然较低，一般维持在毫瓦量级，因此对于高功率、宽频带的太赫兹辐射源仍是通过真空电子器件来实现。
目前，工作在太赫兹波段的真空电子器件主要包括返波管、行波管、扩展互作用器件以及回旋器件。
行波管和返波管的工作机理相似，但行波管需要输入信号，在太赫兹波段其输入信号主要依靠固态器件作为前级推动。同时频率升高后行波管的输出功率和增益相对较低，对于前级驱动信号的功率要求不断提高。
扩展互作用器件的功率水平比较高，但是带宽较窄(一般只有100-200MHz)，其适用于频率范围要求不高的系统之中。
回旋器件虽然能够提高很高的输出功率(一般为kW-MW)量级，但其体积庞大、配套系统复杂，比较适合应用于功率要求极高的整机系统中。相比而言，返波管不需要输入信号,可以通过调谐电子注电压来获得一定的频带，在太赫兹频段其可以认为是很有潜力的辐射源。
因此，一种超宽带、大功率、小型化的太赫兹辐射源是目前研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于超宽带大功率的太赫兹辐射源，以提高辐射源的带宽，在增加辐射源的功率的同时保持其体积的小型化。
为实现上述发明目的，本发明超宽带大功率太赫兹辐射源，包括：
一个阴极，用于产生带状电子注；
其特征在于，还包括：
一个慢波结构，所述的慢波结构包括超宽带准开放慢波结构以及分别位于超宽带准开放慢波结构两端的线性渐变过渡结构；
所述的超宽带准开放慢波结构包括：
两块宽边长度为a的相同金属平板，位于上下两侧，其相距距离b，纵向长度为l，其在垂直方向位于同一位置；
两块金属壁或者介质壁作为支撑板，分别位于左右两侧之间，即宽边两端，与金属平板宽边垂直，其高度为b、纵向长度为l；
在上金属平板下侧、下金属平板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为Rw、高度为Rh的一条沿纵向周期性起伏状的带状金属脊，其中带状金属脊周期长度为p，带状金属脊之间的水平带状空间为带状电子注通道，其高度hb为金属平板距离b与2倍脊高Rh之差；
所述的线性渐变过渡结构除带状金属脊外，其他与超宽带准开放慢波结构相同，其中的带状金属脊从高度Rh/2向中间即超宽带准开放慢波结构方向，上下起伏逐步增加，直到达到脊高Rh，其带状金属脊周期长度也为p；
一个能量输出耦合器，该耦合器为基于双脊矩形波导的输出结构，脊的高度为高度Rh/2，分为三段，第一段为直的双脊矩形波导、第二段为90度弯曲双脊矩形波导、第三段也为直的双脊矩形波导；第一段的一端与慢波结构一端连接，另一端与第二段即90度弯曲双脊矩形波导连接，然后再连接到第三段的一个端口，第三段的另一个端口为电磁信号即太赫兹辐射源信号输出端口；在第一段的双脊之间的中心位置，纵向往外即穿出第二段弯曲部分形成一个宽度为Ta、高度为Tb的带状电子通道，阴极产生的带状电子注从该带状电子通道进入慢波结构；
一个终端匹配器，该匹配器为一个直的双脊矩形波导，与慢波结构另一端连接；在匹配器内的两侧对称安装两个氧化铍衰减陶瓷，其厚度(高度)与超宽带准开放慢波结构中金属平板距离相等，每个衰减陶瓷由一段渐变段和一段均匀段连接构成，渐变段的开口处与慢波结构连接，开口处两个氧化铍衰减陶瓷距离为a即氧化铍衰减陶瓷宽度为0，随着氧化铍衰减陶瓷宽度的增加，两个氧化铍衰减陶瓷距离逐步减小，直到氧化铍衰减陶瓷宽度变为Aw止，均匀段的纵向宽度保持为Aw。
本发明的目的是这样实现的。
本发明是在2015年12月21日申请的、申请号为201510965016.0、名称为“一种超宽带准开放的慢波结构”的发明专利申请基础上提出的，是基于该慢波结构构建的超宽带、瓦量级的太赫兹辐射源，包括一个阴极、慢波结构、能量输出耦合器以及一个终端匹配器，其中能量输出耦合器为一个三端口元件，阴极产生的带状电子注，从带状电子注入口进入能量输出耦合器，然后从慢波结构连接口输出到慢波结构，产生太赫兹辐射源信号，在终端匹配器反射后，再经过慢波结构，回到能量输出耦合器中，最后，通过太赫兹辐射源信号输出端口输出。
本发明超宽带大功率太赫兹辐射源具有以下优点：
(1)、基于超宽带、低损耗的慢波结构进行设计，具有超宽调谐工作、瓦量级的大功率特点；
(2)、慢波结构中的电场在电子注通道区域内非常集中，耦合阻抗很大，因此互作用效率相对较高，并且起振条件很容易被满足，对于电子注的电流密度要求较低；
(3)、能量输出耦合器、终端匹配器结构具有很好的匹配，因此输出太赫兹辐射源信号稳定，频谱纯净；
(4)、具有工作电压低、小型化、易于加工和装配等特点。
附图说明
图1是本发明超宽带大功率太赫兹辐射源一种具体实施方式内部结构示意图；
图2是图1所示慢波结构的结构示意图；
图3是图2所示超宽带准开的放慢波结构的结构示意图；
图4是图1所示能量输出耦合器的结构示意图；
图5是图1所示终端匹配器的结构示意图；
图6本发明超宽带大功率太赫兹辐射源的传输、反射参数随频率的变化图；
图7本发明超宽带大功率太赫兹辐射源的输出功率随时间的变化图；
图8本发明超宽带大功率太赫兹辐射源输出信号的幅频图；
图9本发明超宽带大功率太赫兹辐射源的功率-频率特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
在本实施例中，如图1所示，本发明超宽带大功率太赫兹辐射源包括一个阴极1、一个慢波结构2、一个能量输出耦合器3以及一个终端匹配器4，其中，阴极1产生带状电子注、从带状电子注入口即端口2进入能量输出耦合器3，然后从慢波结构连接口即端口3输出到慢波结构2，产生太赫兹辐射源信号，在终端匹配器4反射后，再经过慢波结构2，回到能量输出耦合器3中，最后，通过太赫兹辐射源信号输出端口即端口1输出。
下面结构附图对各部分进行详细描述。
1、慢波结构
在本实施例中，如图2所示，所述的慢波结构2包括超宽带准开放慢波结构以及分别位于超宽带准开放慢波结构两端的线性渐变过渡结构。
本发明超宽带大功率太赫兹辐射源中的慢波结构的材料是无氧铜，共有70个互作用主周期(超宽带准开放慢波结构)和20个渐变过渡周期(两端的线性渐变过渡结构各10个)，总长度为18.9mm。
超宽带准开放慢波结构的结构如图3所示，包括两块宽边长度为a的相同金属平板201，位于上下两侧，其相距距离b，纵向长度为l，其在垂直方向位于同一位置。
同时，在上金属平板下侧、下金属平板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为Rw、高度为Rh的一条沿纵向周期性起伏状的带状金属脊202，带状金属脊2周期长度为p，带状金属脊202之间的水平带状空间为带状电子注通道，其高度hb为金属平板距离b与2倍脊高Rh之差。
在本实施例中，带状金属脊202的尺寸满足关系为0.25a<Rw<0.5a,Rh<0.5b。
在图3中，为了清楚展示本发明超宽带准开放的慢波结构，没有将两侧的支撑板画出来。
在本实施方式中，慢波结构的宽边长度a＝1.2mm，慢波结构的窄边边长度b＝0.61mm，加载金属脊的脊宽Rw＝0.4mm，加载金属脊的脊高Rh＝0.26mm，慢波结构的周期长度p＝0.21mm，端口处带状电子注通道的高度d＝0.35mm。
图4是图1所示能量输出耦合器的结构示意图。
在本实施例中，如图4所示，所述的能量输出耦合器为一种基于双脊矩形波导的输出结构，可以看成是一种三端口元件，一个为电磁信号即太赫兹辐射源信号的输出端口(端口1)，一个为带状电子注的入口(端口2)，第三个为与慢波结构的连接口(端口3)。其中，电子注通道是通过电磁波通道90度弯曲的H面上开缝而成，即在第一段的双脊之间的中心位置，纵向往外即穿出第二段弯曲部分形成一个宽度为Ta、高度为Tb的带状电子通道。
能量输出耦合器为双脊矩形波导以R为半径、以O点为圆心弯曲90度形成，在本实施方式中，第一段即直的双脊矩形波导的长度L1＝1mm，第二段即弯曲双脊矩形波导弯曲半径R＝1.5mm，第三段即直的双脊矩形波导的长度L2＝1mm，带状电子注通道的宽度Ta＝0.44mm，带状电子注通道的高度Tb＝0.1mm。双脊矩形波导的长度和宽度与慢波结构的横截面的尺寸完全相同，其材料是无氧铜。
图5是图1所示终端匹配器的结构示意图。
在本实施例中，如图5所示，所述的终端匹配器为一个直的双脊矩形波导，与慢波结构另一端连接；在匹配器内的两侧对称安装两个氧化铍衰减陶瓷，其厚度(高度)与超宽带准开放慢波结构中金属平板距离相等，这样既不会改变慢波结构，也有利于终端匹配的整体加工和装配。
每个衰减陶瓷由一段渐变段和一段均匀段连接构成，渐变段的开口处与慢波结构连接，开口处两个氧化铍衰减陶瓷距离为a即氧化铍衰减陶瓷宽度为0，随着氧化铍衰减陶瓷宽度的增加，两个氧化铍衰减陶瓷距离逐步减小，直到氧化铍衰减陶瓷宽度变为Aw止，均匀段的纵向宽度保持为Aw。通过调整渐变段的长度可以调整终端匹配负载的反射系数，而通过调整均匀段的长度可以调整衰减量。
在此实施方式中，渐变段长度AL1＝2.5mm，均匀段长度AL2＝1.5mm，衰减瓷的宽度Aw＝0.35mm，衰减瓷的厚度b＝0.61mm，两个衰减陶瓷的距离最大处为a＝1.2mm。
利用三维电磁仿真软件CST MWS对上述的超宽带大功率太赫兹辐射源进行仿真，获得传输、反射参数曲线，如图6所示，在170-255GHz频率范围内，得到的反射参数S11小于-25dB，传输参数S21小于-130dB，这充分表明本发明具有有很好的匹配特性，并且电磁波在电子注输出端完全被吸收。
此外，经过非线性注-波互作用模拟，即在带状电子注电压为9kV，注电流为11mA的条件下，可以获得1.14W的输出功率，如图7所示。辐射频率为203GHz，并且频谱非常的纯净，如图8所示。在8kV到20kV之间进行电压调谐，可以获得其他的信号功率和频谱图。将功率值和频率值绘制成图，既可以获得G波段返波管的器件特征曲线，如图9所示，可得其在170GHz至255GHz频率范围内拥有0.95W以上的功率输出，最高输出功率为1.4W。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种超宽带大功率太赫兹辐射源，包括：
一个阴极，用于产生带状电子注；
其特征在于，还包括：
一个慢波结构，所述的慢波结构包括超宽带准开放慢波结构以及分别位于超宽带准开放慢波结构两端的线性渐变过渡结构；
所述的超宽带准开放慢波结构包括：
两块宽边长度为a的相同金属平板，位于上下两侧，其相距距离b，纵向长度为l，其在垂直方向位于同一位置；
两块金属壁或者介质壁作为支撑板，分别位于左右两侧之间，即宽边两端，与金属平板宽边垂直，其高度为b、纵向长度为l；
在上金属平板下侧、下金属平板上侧宽边方向中心位置分别加载宽度为Rw、高度为Rh的一条沿纵向周期性起伏状的带状金属脊，其中带状金属脊周期长度为p，带状金属脊之间的水平带状空间为带状电子注通道，其高度hb为金属平板距离b与2倍脊高Rh之差，所述的带状金属脊的尺寸满足关系为0.25a<Rw<0.5a,Rh<0.5b；
所述的线性渐变过渡结构除带状金属脊外，其他与超宽带准开放慢波结构相同，其中的带状金属脊从高度Rh/2向中间即超宽带准开放慢波结构方向，上下起伏逐步增加，直到达到脊高Rh，其带状金属脊周期长度也为p；
一个能量输出耦合器，该耦合器为基于双脊矩形波导的输出结构，脊的高度为高度Rh/2，分为三段，第一段为直的双脊矩形波导、第二段为90度弯曲双脊矩形波导、第三段也为直的双脊矩形波导；第一段的一端与慢波结构一端连接，另一端与第二段即90度弯曲双脊矩形波导连接，然后再连接到第三段的一个端口，第三段的另一个端口为电磁信号即太赫兹辐射源信号输出端口；在第一段的双脊之间的中心位置，纵向往外即穿出第二段弯曲部分形成一个宽度为Ta、高度为Tb的带状电子通道，阴极产生的带状电子注从该带状电子通道进入慢波结构；
一个终端匹配器，该匹配器为一个直的双脊矩形波导，与慢波结构另一端连接；在匹配器内的两侧对称安装两个氧化铍衰减陶瓷，其厚度与超宽带准开放慢波结构中金属平板距离相等，每个衰减陶瓷由一段渐变段和一段均匀段连接构成，渐变段的开口处与慢波结构连接，开口处两个氧化铍衰减陶瓷距离为a即氧化铍衰减陶瓷宽度为0，随着氧化铍衰减陶瓷宽度的增加，两个氧化铍衰减陶瓷距离逐步减小，直到氧化铍衰减陶瓷宽度变为Aw止，均匀段的纵向宽度保持为Aw。
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