CN106098508B - 一种太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的慢波结构 - Google Patents

一种太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的慢波结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的慢波结构，所述慢波结构包括：依次连接的n段折叠波导慢波结构，其中，n为正整数且n≥2，第i段折叠波导慢波结构与第i+1段折叠波导慢波结构满足：gi＜gi+1且gi为所述第i段折叠波导慢波结构的折叠度，vi为所述第i段折叠波导慢波结构的电子束输入端口处电子速度，i∈[1,n‑1]；本发明提供的一种太赫兹折叠波导行波管放大器的慢波结构，采用多段式折叠波导慢波结构提高太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的功率和效率。

Description

一种太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的慢波结构
技术领域
本发明涉及太赫兹真空电子器件领域，具体涉及一种太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的慢波结构。
背景技术
太赫兹(Terahertz，THz)波介于技术发展相对成熟的微波毫米波和红外可见光之间，处于宏观理论向微观量子理论的过渡区，许多物质的太赫兹频谱包含着丰富的信息。太赫兹波的独特特性和地位使其在基础科学、材料研究、生物医学、军事以及国家公共安全等众多领域都具有非常重要的应用价值。而缺乏稳定、相干的太赫兹辐射源严重制约着太赫兹的研究、应用和发展。
对于高功率要求而言真空电子学器件是大功率太赫兹辐射源的首选，其中微电真空太赫兹行波管器件因其重量轻、结构紧凑、中低电压(几十千伏量级)、带宽(Δf/f)宽、功率为1瓦～几十瓦量级有很大的应用前景。近年来，UV-LIGA和DRIE(Deep reactive ionetching)等微细加工技术(MEMS)的进步促进了太赫兹微电真空行波管器件的研究和发展，成为太赫兹行波管辐射源的主要发展方向之一。折叠波导行波管在散热、功率、带宽等方面相对于其它同类器件存在很大优势，可应用于0.1～1THz，最先受到国内外广泛重视，成为太赫兹辐射源器件的研究热点。为了尽快推进太赫兹的应用，美国、韩国、中国、欧洲等争先开展了太赫兹折叠波导行波管的研究以及研制工作。其中慢波结构(即高频结构)是行波管的核心关键部件，它通过束-波互作用机理，把电子注的能量转化为电磁场的能量，实现电磁信号的放大，对行波管的工作频率、带宽、输出功率和增益等参数起着决定性的作用。
在传统的太赫兹折叠波导行波管的研究中，折叠波导慢波结构采用均匀性周期结构，即慢波结构各个周期结构的参数相同。折叠波导慢波结构周期性变化，弯曲矩形波导是电磁波的传输通道，电磁波的模式及其场的特性由波导的横向尺寸决定，中心轴线上的柱形流通管是电子束的传输通道，电磁波和电子束在相遇区域发生强的非线性束-波互作用，把电子束的动能转化为电磁场的能量，从而实现电磁信号的放大。
但是在电磁波和电子束的相互作用过程中，电子能量降低、速度降低，电子和电磁波会失谐，那么器件增益出现饱和区，甚至会因为电子过群聚现象使得电子从电磁场中重新掠夺能量，造成增益不增反降。器件饱和现象限制了器件的功率和增益的增长。
发明内容
本发明提供一种太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的慢波结构，其目的是采用多段式折叠波导慢波结构提高太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的功率和效率。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
一种太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的慢波结构，其改进之处在于，所述慢波结构包括：依次连接的n段折叠波导慢波结构，其中，n为正整数且n≥2，第i段折叠波导慢波结构与第i+1段折叠波导慢波结构满足：gi＜gi+1且gi为所述第i段折叠波导慢波结构的折叠度，vi为所述第i段折叠波导慢波结构的电子束输入端口处电子速度，i∈[1,n-1]。
优选的，按下式(1)确定所述第i段折叠波导慢波结构的折叠度gi：
式(1)中，Li为所述第i段折叠波导慢波结构的整个周期的弯曲长度，hi为所述第i段折叠波导慢波结构的直波导长度，Pi为所述第i段折叠波导慢波结构的轴向半周期长度。
优选的，折叠波导慢波结构间的连接处位于折叠波导慢波结构的直波导的中间位置，取前后两段折叠波导慢波结构的各自一半直波导进行连接。
优选的，所述折叠波导慢波结构的轴向半周期长度与所述折叠波导慢波结构的直波导长度相互独立，通过单独减小所述折叠波导慢波结构的轴向半周期长度、单独增大所述折叠波导慢波结构的直波导长度、同时减小所述折叠波导慢波结构的轴向半周期长度和增大所述折叠波导慢波结构的直波导长度增大所述折叠波导慢波结构的折叠度。
优选的，所述依次连接的n段折叠波导慢波结构中，令j∈[1,n]，第j段折叠波导慢波结构的电子束通道长度为xj，第j段折叠波导慢波结构的饱和长度为zj，第1段折叠波导慢波结构的起振长度为y0，则当j＝1时，第1段折叠波导慢波结构的电子束通道长度x1满足：当j∈(1,n]时，第j段折叠波导慢波结构的电子束通道长度xj满足：xj＜zj。
优选的，所述折叠波导慢波结构的参数包括：折叠矩形波导宽边a、折叠矩形波导窄边b、电子束孔径D、轴向半周期长度P、整个周期的弯曲长度L、直波导长度h、弯曲波导内半径r和弯曲波导外半径R。
优选的，当n＝2时，a1＝a2＝0.49mm，b1＝b2＝0.07mm，D1＝D2＝0.1mm，P1＝0.16mm,P2＝0.155mm，h1＝h2＝0.15mm，其中，a1和a2分别为第1段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导宽边和第2段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导宽边，b1和b2分别为第1段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导窄边和第2段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导窄边，D1和D2分别为第1段折叠波导慢波结构的电子束孔径和第2段折叠波导慢波结构的电子束孔径，P1和P2分别为第1段折叠波导慢波结构的轴向半周期长度和第2段折叠波导慢波结构的轴向半周期长度，h1和h2分别为第1段折叠波导慢波结构的直波导长度和第2段折叠波导慢波结构的直波导长度。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种太赫兹折叠波导行波管放大器的慢波结构，慢波结构采用分段变参数型结构，各段之间慢波结构的变化参数数量少，连接方法简单，可加工性强，便于实现一体化加工；同时，慢波结构采用分段变参数型结构，通过分段设计折叠波导慢波结构参数，使得电磁波和电子注的大部分电子持续满足“同步”共振条件，从而使电子束不断与电磁波进行互作用交出能量，避免或推迟器件的“饱和”和电子注“过群聚”现象，提高电子转化效率以及器件功率，相对于周期均匀型慢波结构，所述分段型慢波结构的器件整体效率更高。
附图说明
图1是传统均匀型太赫兹微电真空折叠波导慢波结构示意图；
图2是折叠波导慢波结构参数定义示意图；
图3是本发明提供的依次连接的两段折叠波导慢波结构示意图；
图4是本发明提供的多段式折叠波导慢波结构示意图；
图5是本发明实施例中0.345THz均匀型折叠波导慢波结构的增益随束-波互作用长度的关系示意图；
图6是本发明实施例中0.345THz两段式折叠波导慢波结构的增益随束-波互作用长度的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
传统均匀型折叠波导慢波结构如图1所示，所述慢波结构是通过在金属材料上采用微加工技术，对材料进行一系列尺寸加工，器件装配，然后对器件抽真空，慢波结构模型分为两个区域：(1)金属材料区域，内含真空区域，金属外边界可加工为圆形柱状或方形柱面，图1中的金属外边界为圆形柱面；(2)真空区域，是在金属材料上通过微加工技术实现掏空，是电磁波和电子束的互作用区，该真空区域包含两个部分，其中真空区域1区为电磁波传输通道，采用折叠(矩形)波导结构；真空区域2区为电子束通道，采用圆形或方形柱状体，图1中的电子束通道为圆形柱状体。真空区域的1区和2区存在相交区域，电磁波和电子束相遇从而进行相互作用，实现信号放大。结构的金属材料选择铜，金属材料外边界的最小横向尺寸应大于真空区域外边界的最大横向尺寸，使得材料具有一定厚度。
本发明提供的一种太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的慢波结构，所述慢波结构包括：依次连接的n段折叠波导慢波结构，其中，n为正整数且n≥2，第i段折叠波导慢波结构与第i+1段折叠波导慢波结构满足：gi＜gi+1且gi为所述第i段折叠波导慢波结构的折叠度，vi为所述第i段折叠波导慢波结构的电子束输入端口处电子速度，i∈[1,n-1]。
其中，所述折叠波导慢波结构的参数，如图2所示，包括：折叠矩形波导宽边a、折叠矩形波导窄边b、电子束孔径D、轴向半周期长度P、整个周期的弯曲长度L、直波导长度h、弯曲波导内半径r和弯曲波导外半径R。
具体的，按下式(1)确定所述第i段折叠波导慢波结构的折叠度gi：
式(1)中，Li为所述第i段折叠波导慢波结构的整个周期的弯曲长度，hi为所述第i段折叠波导慢波结构的直波导长度，Pi为所述第i段折叠波导慢波结构的轴向半周期长度。
折叠波导慢波结构间的连接处位于折叠波导慢波结构的直波导的中间位置，取前后两段折叠波导慢波结构的各自一半直波导进行连接。
所述折叠波导慢波结构的轴向半周期长度与所述折叠波导慢波结构的直波导长度相互独立，通过单独减小所述折叠波导慢波结构的轴向半周期长度、单独增大所述折叠波导慢波结构的直波导长度、同时减小所述折叠波导慢波结构的轴向半周期长度和增大所述折叠波导慢波结构的直波导长度增大所述折叠波导慢波结构的折叠度。
所述依次连接的n段折叠波导慢波结构中，令j∈[1,n]，第j段折叠波导慢波结构的电子束通道长度为xj，第j段折叠波导慢波结构的饱和长度为zj，第1段折叠波导慢波结构的起振长度为y0，则当j＝1时，第1段折叠波导慢波结构的电子束通道长度x1满足：当j∈(1,n]时，第j段折叠波导慢波结构的电子束通道长度xj满足：xj＜zj。
进一步的，当n＝2时一套0.345THz两段式折叠波导慢波结构的实施例参数，a1＝a2＝0.49mm，b1＝b2＝0.07mm，D1＝D2＝0.1mm，P1＝0.16mm,P2＝0.155mm，h1＝h2＝0.15mm，其中，a1和a2分别为第1段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导宽边和第2段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导宽边，b1和b2分别为第1段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导窄边和第2段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导窄边，D1和D2分别为第1段折叠波导慢波结构的电子束孔径和第2段折叠波导慢波结构的电子束孔径，P1和P2分别为第1段折叠波导慢波结构的轴向半周期长度和第2段折叠波导慢波结构的轴向半周期长度，h1和h2分别为第1段折叠波导慢波结构的直波导长度和第2段折叠波导慢波结构的直波导长度。
如图3所示为两段折叠波导慢波结构的尺寸参数示意图，将两段折叠波导慢波结构依次连接，其折叠度依次为g1和g2，结构2比结构1的折叠度大，即g1＜g2，其中，g1的选择由结构1入口处的整体电子平均速度v1决定，g2的选择由结构2入口处的绝大部分电子平均速度v2决定，同时满足折叠度
结构1和结构2对比，电子速度降低，调整参数满足h1＜h2或者P1＞P2，或者同时满足两式，可以实现g1＜g2，对于波导宽边a、窄边b、电子束孔径D等物理量，结构1和结构2相同，取结构1和结构2各自一半的直波导无缝连接。
如图4所示为n段折叠波导慢波结构的尺寸参数示意图，n段折叠波导慢波结构依次连接过程同两段折叠波导慢波结构连接过程相同，各段慢波结构的折叠度依次增大，即g1＜g2＜g3...＜gn且满足如图5所示为0.345THz均匀型折叠波导慢波结构的实施例的增益随束-波互作用纵向长度的关系示意图，该传统均匀型折叠波导慢波结构的实施例中，折叠矩形波导宽边a＝0.49mm、窄边b＝0.07mm、电子束孔径D＝0.1mm，慢波结构轴向半周期长度P＝0.16mm，直波导长度h＝0.15mm。由图5可以看出，该实施例中，增益随束-波互作用纵向长度的增长呈现先增后减的趋势，在束-波互作用长度为35.2mm时增益最大，为器件工作饱和点。
如图6所示为0.345THz两段式折叠波导慢波结构的实施例的增益随束-波互作用纵向长度的关系示意图，该两段式折叠波导慢波结构的实施例中，折叠矩形波导宽边a＝0.49mm、窄边b＝0.07mm、电子束孔径D＝0.1mm，慢波结构轴向半周期长度P1＝0.16mm,P2＝0.155mm，直波导长度h1＝h2＝0.15mm。第一段慢波结构长度为32mm，该长度范围是在第一段慢波结构出现饱和点(35.2mm)之前。然后通过加长第二段慢波结构的长度，观察了增益随整体长度的关系。
由图5和图6对比可以看出，相同长度下，两段式慢波结构的增益大于传统均匀型慢波结构的增益。而且两段式慢波结构的饱和增益(36.4dB)比传统均匀型慢波结构的饱和增益(40.3dB)高出10.6％。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种太赫兹微电真空折叠波导行波管放大器的慢波结构，所述慢波结构包括：依次连接的n段折叠波导慢波结构，其中，n为正整数且n≥2，其特征在于，第i段折叠波导慢波结构与第i+1段折叠波导慢波结构满足：gi＜gi+1且gi为所述第i段折叠波导慢波结构的折叠度，vi为所述第i段折叠波导慢波结构的电子束输入端口处电子速度，i∈[1,n-1]。
2.如权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，按下式(1)确定所述第i段折叠波导慢波结构的折叠度gi：
式(1)中，Li为所述第i段折叠波导慢波结构的整个周期的弯曲长度，hi为所述第i段折叠波导慢波结构的直波导长度，Pi为所述第i段折叠波导慢波结构的轴向半周期长度。
3.如权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，折叠波导慢波结构间的连接处位于折叠波导慢波结构的直波导的中间位置，取前后两段折叠波导慢波结构的各自一半直波导进行连接。
4.如权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述折叠波导慢波结构的轴向半周期长度与所述折叠波导慢波结构的直波导长度相互独立，通过单独减小所述折叠波导慢波结构的轴向半周期长度、单独增大所述折叠波导慢波结构的直波导长度、同时减小所述折叠波导慢波结构的轴向半周期长度和增大所述折叠波导慢波结构的直波导长度增大所述折叠波导慢波结构的折叠度。
5.如权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述依次连接的n段折叠波导慢波结构中，令j∈[1,n]，第j段折叠波导慢波结构的长度为xj，第j段折叠波导慢波结构的饱和长度为zj，第1段折叠波导慢波结构的起振长度为y0，则当j＝1时，第1段折叠波导慢波结构的长度x1满足：当j∈(1,n]时，第j段折叠波导慢波结构的电子束通道长度xj满足：xj＜zj。
6.如权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，所述折叠波导慢波结构的参数包括：折叠矩形波导宽边a、折叠矩形波导窄边b、电子束孔径D、轴向半周期长度P、整个周期的弯曲长度L、直波导长度h、弯曲波导内半径r和弯曲波导外半径R。
7.如权利要求1所述的慢波结构，其特征在于，当n＝2时，a1＝a2＝0.49mm，b1＝b2＝0.07mm，D1＝D2＝0.1mm，P1＝0.16mm,P2＝0.155mm，h1＝h2＝0.15mm，其中，a1和a2分别为第1段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导宽边和第2段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导宽边，b1和b2分别为第1段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导窄边和第2段折叠波导慢波结构的折叠矩形波导窄边，D1和D2分别为第1段折叠波导慢波结构的电子束孔径和第2段折叠波导慢波结构的电子束孔径，P1和P2分别为第1段折叠波导慢波结构的轴向半周期长度和第2段折叠波导慢波结构的轴向半周期长度，h1和h2分别为第1段折叠波导慢波结构的直波导长度和第2段折叠波导慢波结构的直波导长度。
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