CN106098511A - 基于高次模式梯形结构扩展互作用速调管的微波放大方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于高次模式梯形结构扩展互作用速调管的微波放大方法，本发明提供的微波放大方法是基于传统梯形结构的扩展互作用速调管，选定采用的高次工作模式，通过增大传统扩展互作用谐振腔的横向结构尺寸，并调整其纵向结构尺寸，可使扩展互作用速调管放大器以预定的高次模式工作。本发明在很大程度上缓解了在亚毫米波段由于器件尺寸微小所导致的加工、装配难度增大，功率容量降低，电子注聚束和对准的难度增大，增益减小，热稳定性降低等问题。

Description

基于高次模式梯形结构扩展互作用速调管的微波放大方法
技术领域
本发明涉及一种基于高次模式梯形结构扩展互作用速调管的微波放大方法。
背景技术
梯形结构扩展互作用速调管放大器具有高增益、高稳定性及结构简单等诸多优点，是毫米波产生及放大器件研究发展的热点之一。但是随着器件频率提升至亚毫米波范围，由于器件尺寸大大减小(整体结构在mm量级，腔结构尺寸达到了0.1mm甚至更小)，导致该器件的发展面临着诸多问题，包括以下几个方面：
一、器件的工差控制及装配操作更加困难；
二、功率容量迅速下降，限制了器件的输出功率；
三、注通道半径进一步减小，电子注聚束和对准的难度加大；
四、电子注半径相应减小，若电流密度不变，注电流则以注半径的平方减小，这会极大降低器件的输出功率；若提升电流密度(提升是有代价且有限的)，则空间电荷力以及热发射效应造成的横向传播速度将变得显著，对电子注的聚束提出了更高的要求，可能导致电子注通过率降低，增益大大降低；
五、极少的电子注阻截或是高频损耗产生的热量都有可能造成热损害。器件的热耗散主要来源于电子注阻截和高频损耗，数据表明在W波段EIKs中，输出腔中产生的高频能量70％耦合到了输出波导，另外30％则耗散在电路中，这一比例在亚毫米波段急剧变化，更多的高频能量耗散成热量。
传统的梯形结构扩展互作用速调管以TM11模式工作，其横截面纵向电场强度分布如图1所示。以该模式工作，除了前述的问题，存在的不足：电场能量较为分散，没有集中在电子注通道处，降低了束波互作用的效率；通道内电场均匀性较差，导致电子注调制不均匀，系统增益下降。
发明内容
为了解决传统梯形结构扩展互作用速调管放大器尺寸微小而且电场能量分散、电子注调制不均匀的技术问题，本发明提供一种基于高次模式梯形结构扩展互作用速调管的微波放大方法。
本发明的技术解决方案是：一种基于高次模式梯形结构扩展互作用速调管的微波放大方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1】根据给定频率f0，设计工作在TM11模式下的梯形结构扩展互作用速调管，得到谐振腔A0的尺寸参数；
2】保持频率不变，计算工作在TM2n+1,1模式下的谐振腔A2的尺寸参数；
3】将梯形结构扩展互作用速调管中的一个或者多个谐振腔由A0替换为A2，得到工作在TM2n+1,1模式下的梯形结构扩展互作用速调管结构；
4】根据设计的工作在TM2n+1,1模式下的梯形结构扩展互作用速调管结构制作高次模式梯形结构扩展互作用速调管；
5】向高次模式梯形结构扩展互作用速调管的输入耦合口输入微波；
6】由高次模式梯形结构扩展互作用速调管的输出耦合口得到放大后的输出微波。
上述步骤2】包括以下步骤：
2.1】选定横向高次模式TM2n+1,1和纵向模式p；
2.2】根据给定电压和选定的纵向模式p，利用公式l＝pve/2πf0计算并调整纵向周期长度l，得到谐振腔A1的尺寸参数；其中，ve为电子注速度；
2.3】计算在TM2n+1,1模式下工作的谐振腔A1的谐振频率f1；
2.4】等比例放大谐振腔A1的横向参数，然后计算谐振频率f2；
2.5】持续调整谐振腔结构A1的横向参数，直至(f2-f0)/f0<μ，得到谐振腔结构A2；其中μ为误差限。
上述误差限μ为0.01％。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过选择合适的高次模式及纵向模式，可增大传统梯形结构扩展互作用速调管的器件尺寸，例如：在同样的工作条件下采用TM31，2π模，腔横截面积约为基模的1.5倍；采用TM31，π模，腔横截面积约为基模的2.4倍，腔体积约为基模的3.6倍；采用TM51，2π模，腔横截面积约为基模的2.6倍。这在很大程度上缓解了在亚毫米波段由于器件尺寸微小所导致的加工、装配难度增大，功率容量降低，电子注聚束和对准的难度增大，增益减小，热稳定性降低等问题。
(2)本发明以高次模式工作，可以使扩展互作用腔内间隙电场能量更集中，电场在通道中分布更均匀，拥有更高的特性阻抗，扩展互作用速调管放大器能获得更高增益及效率。
附图说明
图1为基模工作时腔内横截面纵向电场分布图；
图2为本发明采用TM31模工作时腔内横截面纵向电场分布图；
图3为本发明采用TM51模工作时腔内横截面纵向电场分布图；
图4本发明技术方案的简要流程图；
图5为梯形结构扩展互作用速调管结构示意图；
图6为本发明实施例一的高次模式工作的功率输出数值模拟结果；
图7为0.34THz基模扩展互作用速调管放大器的功率输出数值模拟结果；
图8为本发明实施例二的高次模式工作的功率输出数值模拟结果；
图9为本发明实施例三的高次模式工作的功率输出数值模拟结果。
具体实施方式
本发明提出了一种工作在高次模式的梯形结构扩展互作用速调管放大器的技术方案。该方案在工作频率不变的前提下，使扩展互作用腔尺寸更大、腔内间隙电场能量更集中、通道电场分布更均匀，并且使扩展互作用速调管放大器获得更高增益。
该方案的实现方式是增大传统梯形结构扩展互作用腔的横向尺寸，使其工作在TM2n+1,1模(n>0)的某纵向模式下，纵向电场在横截面上具有2n+1个极大值。图2和图3给出了TM31及TM51模的截面场分布，相比于图1，可以看出高次模式在中心通道附近电场能量更集中，通道内电场分布更均匀。
具体地，对于某一给定频率f0，先按照传统梯形结构扩展互作用速调管设计方法，得到谐振腔结构A0的一系列参数。选定某一高次工作模式(包括横向高次模式及纵向模式)，首先，为了使腔内的驻波场与电子注速度匹配，根据给定电压(对应的电子注速度ve)及选定的纵向模式p，利用l＝pve/2πf0，调整结构A0的纵向周期长度l，得到结构A1；然后，通过理论或数值即可求得该模式在结构A1的谐振频率f1，显然该频率高于给定频率。通过等比例放大结构A1的横向参数，得到谐振频率f2小于f1，选择合适的放大倍数，并根据实际情况对个别横向参数尺寸进行调整，通过迭代使该频率等于给定频率，进而得到具有新横向参数的结构A2；当f2和f0的差值比例低于误差限μ时便可认为二者相等，即f2＝f0，这里的μ取0.01％较佳。最后对传统梯形扩互作用速调管中的一个或多个腔的用A2进行更替，由此可以得到高次模式工作的梯形结构扩展互作用速调管放大器，图4给出了设计流程。
下面结合附图和具体实施例对本发明的高次模式梯形结构扩展互作用速调管放大器做详细描述。
如图5所示，工作在高次模式的梯形结构扩展互作用速调管放大器，包括电子注通道1、输入耦合口2、输入波导3、输入腔4、中间腔5、输出腔6、输出耦合口7、输出波导8。
实施例一
在本实施例中，采用一个0.34THz基模扩展互作用速调管放大器的基本结构参数，其具有3个五间隙腔(包括1个中间腔)，结构示意如图5所示。将该结构横向参数增大约1.2倍(为了与基模结构进行性能对比，并未改变电子注通道半径)，可以得到各腔均以TM31，2π模工作的0.34THz高次模式扩展互作用速调管放大器。当电子注电压15kv、电流0.5A、注入微波信号为频率0.34THz、功率45mW时，可得输出功率24W，增益27.3dB，其功率输出波形如图6所示。作为对比，在相同的工作条件下，0.34THz基模扩展互作用速调管放大器的输出功率0.42W，增益9.7dB，其输出功率波形如图7所示。对比结果符合理论预期。
实施例二
在实施例一的基础上，增加一个中间腔，各腔均以TM31，2π模工作，注入微波信号功率为11mW，其余工作条件与实施例一相同，输出功率120W，增益40.4dB，其功率输出波形如图8所示。
实施例三
在实施例二的基础上，将第二个中间腔的横向结构增大约1.3倍，可以使该腔以TM31，π模工作，为了与电子注速度匹配，将腔的纵向周期长度增大1.5倍，保持间隙宽度不变。工作条件与实施例二相同，输出功率108W，增益39.9dB，其功率输出波形如图9所示。
本发明在很大程度上缓解了在亚毫米波段由于器件尺寸微小导致的加工、装配难度增大，功率容量降低等问题。相比于基模工作，采用该技术方案的扩展互作用速调管放大器还具有：腔内间隙电场能量更集中，通道电场分布更均匀及特性阻抗更高等特点。采用该技术方案的扩展互作用速调管放大器在亚毫米波及更高频段具有极大的发展潜力和应用前景。

Claims (3)

1.一种基于高次模式梯形结构扩展互作用速调管的微波放大方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】根据给定频率f0，设计工作在TM11模式下的梯形结构扩展互作用速调管，得到谐振腔A0的尺寸参数；
2】保持频率不变，计算工作在TM2n+1,1模式下的谐振腔A2的尺寸参数；
3】将梯形结构扩展互作用速调管中的一个或者多个谐振腔由谐振腔A0替换为谐振腔A2，得到工作在TM2n+1,1模式下的梯形结构扩展互作用速调管结构；
4】根据设计的工作在TM2n+1,1模式下的梯形结构扩展互作用速调管结构制作高次模式梯形结构扩展互作用速调管；
5】向高次模式梯形结构扩展互作用速调管的输入耦合口输入微波；
6】由高次模式梯形结构扩展互作用速调管的输出耦合口得到放大后的输出微波。
2.根据权利要求1所述的基于高次模式梯形结构扩展互作用速调管的微波放大方法，其特征在于：所述步骤2】包括以下步骤：
2.1】选定横向高次模式TM2n+1,1和纵向模式p；
2.2】根据给定电压和选定的纵向模式p，利用公式l＝pve/2πf0计算并调整纵向周期长度l，得到谐振腔A1的尺寸参数；其中，ve为电子注速度；
2.3】计算在TM2n+1,1模式下工作的谐振腔A1的谐振频率f1；
2.4】等比例放大谐振腔A1的横向参数，然后计算谐振频率f2；
2.5】持续调整谐振腔结构A1的横向参数，直至(f2-f0)/f0<μ，得到谐振腔结构A2；其中μ为误差限。
3.根据权利要求2所述的基于高次模式梯形结构扩展互作用速调管的微波放大方法，其特征在于：误差限μ为0.01％。
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