CN106128918A - 太赫兹eik高频装置 - Google Patents

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史宗君
杨梓强
兰峰
唐效频
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J25/00—Transit-time tubes, e.g. klystrons, travelling-wave tubes, magnetrons
    • H01J25/02—Tubes with electron stream modulated in velocity or density in a modulator zone and thereafter giving up energy in an inducing zone, the zones being associated with one or more resonators
    • H01J25/10—Klystrons, i.e. tubes having two or more resonators, without reflection of the electron stream, and in which the stream is modulated mainly by velocity in the zone of the input resonator

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Abstract

太赫兹EIK高频装置，其特征在于，包括沿电子注作用区顺次设置的EIK输入腔、中间腔及输出腔基本结构由两排光栅对称排列构成，两光栅之间为电子注通道，光栅的每个间隙通过结构中心的亚波长孔耦合到一个共同的腔体中；所述EIK输入腔由输入波导与带有亚波长孔结构的双光栅构成，两个光栅的对称面与电子运动方向平行；所述中间腔由对称设置的带有亚波长孔结构的双光栅构成，两个光栅的对称面与电子运动方向平行；所述输出腔由两对称的输出波导与带有亚波长孔结构的双光栅构成，两个光栅的对称面与电子运动方向平行。采用该结构设计的输入、输出腔体，周期性亚波长耦合孔对信号起着相对隔离和耦合的纽带，能使信号的耦合效率高，带宽和增益适中，能够有效地对信号进行馈入与提取，结构简单、制作方便。

Description

太赫兹EIK高频装置
技术领域
本发明涉及物理电子学及太赫兹电子学技术，特别涉及一种基于新型光栅-亚波长孔阵列结构的高频装置，主要应用于太赫兹扩展互作用速调管(Extended InteractionKlystron,简称EIK)及其类似器件。
背景技术
太赫兹(THz)波的独特性质给太赫兹科学技术的研究与发展起到了很大的促进作用。而宽带和小型化的大功率THz辐射源是现阶段推广太赫兹技术应用到实际的瓶颈。真空电子学中的扩展互作用放大器(EIA或称为EIK)是一类结构紧凑、工作电压低的小型化太赫兹辐射源，传统结构(耦合腔，梯形线电路等)的EIK不便于信号的耦合输入、输出，且带宽和增益等性能指标不能满足太赫兹技术的需要。具有较好的带宽且具有高增益和高效率性能的EIK辐射源是太赫兹技术发展的需要。本专利提出了一种采用光栅与亚波长孔阵列结构相结合的新型高频系统改善EIK及其类似器件性能的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中EIK常规结构中带宽窄、增益低，不利于信号的馈入和提取存在的不足，提供一种应用于太赫兹EIK放大器的新型光栅-亚波长孔阵列结构的高频装置。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，太赫兹EIK高频装置，其特征在于，EIK输入腔、中间腔及输出腔的基本结构由两排光栅对称排列构成，两光栅之间为电子注通道，光栅的每个间隙通过结构中心的亚波长孔耦合到一个共同的腔体中。
所述EIK输入腔由输入波导与带有亚波长孔结构的双光栅构成,信号经输入波导进入共同腔体通过亚波长孔耦合进入电子注通道与电子注进行互作用，两个光栅的对称面与电子运动方向平行；
所述中间腔由对称设置的带有亚波长孔结构的双光栅构成，两个光栅的对称面与电子运动方向平行；
所述输出腔由两对称的输出波导与带有亚波长孔结构的双光栅构成，信号进入EIK输入腔对电子注进行初步的调制，然后通过中间腔体的进一步作用，被调制的电子注到达输出腔进行能量的提取,输出信号由亚波长孔耦合到两对称的输出波导实现信号的输出，两个光栅的对称面与电子运动方向平行。
进一步的，所述光栅由具有槽齿结构的基板构成，亚波长孔为通孔，设置于基板的槽(光栅间隙)的位置。
本发明每个腔体的周期个数由EIK放大器的性能指标(如增益大小)决定。所述亚波长孔为矩形孔,亚波长孔阵列与一个共同腔体(图2中的标号11)相耦合。
每一对光栅中，两个光栅沿电子注作用区的轴线对称设置，两个光栅的特征面相对，两个光栅的特征线皆垂直于电子注作用区的轴，构成EIK输入腔、中间腔及输出腔的光栅的特征线相互平行，光栅单周期长度和间隙宽度都相同。
本发明具有如下优点：
1)首次在太赫兹频段实现基于光栅-亚波长孔阵列结构的EIK放大器；
2)采用该结构设计的输入、输出腔体，周期性亚波长耦合孔对信号起着相对隔离和耦合的纽带，能使信号的耦合效率高，带宽和增益适中，能够有效地对信号进行馈入与提取，结构简单、制作方便；
3)该结构结合了光栅与亚波长孔的结构的特点，通过改变光栅结构与孔结构参数，能调节EIK的工作带宽或增益大小,能够适应于微波、毫米波或太赫兹波段。
附图说明
图1为本发明的EIK高频结构示意图；
图2为新型光栅‐亚波长孔阵列结构的三维图；
图3为新型光栅‐孔阵列结构的侧视图；
图4为光栅‐亚波长‐孔阵列周期结构光栅高度h与孔的长边hx对辐射频率的影响关系图。
图5为中心频率0.3THz的EIK输入腔结构以及相应的输入端口的反射系数的变化特性。
图6为中心频率0.3THz的EIK输出腔结构以及两端口间的传输系数的变化特性。
图7(a)为输入到EIK的功率。图7(b)为通过EIK放大器对0.3THz输入信号放大，其中一个端口得到的输出功率。
具体实施方式
太赫兹EIK高频装置，包括沿电子注作用区顺次设置的EIK输入腔、中间腔及输出腔；
所述EIK输入腔由输入波导与带有亚波长孔结构的双光栅构成,信号经波导进入共同腔体通过亚波长孔作为信号输入接口进入电子注区域进行互作用，所述电子注作用区为电子束的运动区域；
所述中间腔由对称设置于电子注作用区两侧的带有亚波长孔的双光栅构成，两个光栅的对称面与电子运动方向平行；
所述输出腔由两对称的输出波导与带有亚波长孔结构的双光栅构成，信号由亚波长孔耦合到两对称的输出波导实现信号的提取，两个光栅的对称面与电子运动方向平行；
进一步的，所述光栅由具有槽齿结构的基板构成，亚波长孔为通孔，设置于基板的槽的位置。
本发明中间腔体的个数依据器件需要进行改变。所述亚波长孔为矩形孔。图1中，两个中间腔(标记为3和4)的光栅周期数量是由实际需求设定。
优选的，每一对光栅中，两个光栅沿电子注作用区的轴线对称设置，两个光栅的特征面相对，两个光栅的特征线皆垂直于电子注作用区的轴，构成EIK输入腔、中间腔及输出腔的光栅的特征线相互平行，光栅单周期长度和间隙宽度都相同。亚波长孔对称设置于光栅间隙中。
特征面和特征线的定义：光栅是在基板的一个面上设置(刻蚀)槽齿结构形成，就该基板而言，设置有槽齿结构的面称为特征面。各条槽相互平行，槽的边缘线或者齿的边缘线称为特征线，槽的中线、齿的中线与特征线是平行的。
实施例
本发明提供一种应用于多腔工作的太赫兹EIK放大器的光栅‐亚波长孔阵列高频结构，包括EIK输入腔、中间腔及输出腔，参见图1。所述光栅‐亚波长孔结构，由两排光栅对称排列构成，每一排的光栅每个间隙通过中心的亚波长孔耦合到一个共同的腔体中。中间腔体数目或者每个腔体的周期数目根据EIK性能指标的要求可以进行变化。
信号由输入腔体输入，参见图5，输入信号进入腔体通过亚波长孔的耦合作用进入到电子注作用区域，对电子注进行初始的调制；被调制的电子注通过漂移段进入中间腔体进行进一步的调制；然后进入到输出腔提取信号参见图6。这种特征的多腔EIK放大器，输入、输出腔体不需要特别的耦合结构，易于加工。
所述亚波长矩形孔中，孔的尺寸需要满足一定要求，要求放大器的输入信号频率小于孔的截止频率。所有光栅的结构周期长度p和间隙s宽度都相同，亚波长矩形孔的长度hx和宽度hz都相同；以上参数与电子注工作参数包括输入信号频率构成放大器的基本工作参数。上述结构的放大器，通过合理调节结构的周期长度，孔的尺寸和电子注电压等基本参数可以获得微波、毫米波或者太赫兹频段的EIK辐射，设计满足工作频率需求的放大器。
所述EIK参见图1。图中包括EIK输入腔体1和输出腔体5，中间腔体3和4，包含EIK太赫兹信号输入端口2，信号与电子注8完成能量交换而放大后通过输出端口6和7输出。
图2为光栅与亚波长孔结构的三维图。本发明由两排对称光栅9构成，每一排光栅的每个间隙有亚波长孔10，每个亚波长孔耦合到一个共同的腔体11。
图3为结构的侧视图。光栅的周期长度为p，间隙宽度为s，光栅高度为h，孔的长宽分别为hx、hz。
图4(a)为光栅‐亚波长孔周期结构色散关系图。EIK工作在2π模，对工作频率0.3THz的EIK，光栅的周期p为0.2mm，间隙s为0.1mm，光栅高度为0.175mm，图中电子注电压为10.9kV。本案中的新型光栅‐亚波长周期结构中影响频率的主要参数为光栅高度h与亚波长耦合孔的长度hx，图4(b)为光栅高度h与亚波长耦合孔的长度hx对辐射频率的影响。根据工作频率的需要可以通过调节参数满足要求。
图5为设计的输入腔体及仿真得到的反射系数的变化特性。图5(a)为4个周期组成的输入腔体，图5(b)为工作中心频率0.3THz的输入端口反射系数随频率的变化特性，反射系数小于‐3dB的频率范围大于0.5GHz。
图6为设计的输出腔体及仿真得到的传输系数的变化特性，输出腔采用双端口输出，也可以采用如输入腔体一样的结构实现单端口输出。图6(a)为4个周期组成的输出腔体，图6(b)为工作中心频率0.3THz的两端口传输系数随频率的变化特性。
图7(a)为粒子模拟时，EIK输入信号频率为0.3THz的功率约为7mW，EIK输出腔体采用双端口输出结构，图7(b)为其中一端口输出获得的信号功率，采用新型光栅‐亚波长结构设计的EIK，仿真获得的增益约为32dB。

Claims (4)

1.太赫兹EIK高频装置，其特征在于，包括沿电子注作用区顺次设置的EIK输入腔、中间腔及输出腔基本结构由两排光栅对称排列构成，两光栅之间为电子注通道，光栅的每个间隙通过结构中心的亚波长孔耦合到一个共同的腔体中；
所述EIK输入腔由输入波导与带有亚波长孔结构的双光栅构成，用于使信号经输入波导进入共同腔体通过亚波长孔耦合进入电子注通道与电子注进行互作用，两个光栅的对称面与电子运动方向平行；
所述中间腔由对称设置的带有亚波长孔结构的双光栅构成，两个光栅的对称面与电子运动方向平行；
所述输出腔由两对称的输出波导与带有亚波长孔结构的双光栅构成，用于使信号进入EIK输入腔对电子注进行初步的调制，然后通过中间腔体的进一步作用，被调制的电子注到达输出腔进行能量的提取,输出信号由亚波长孔耦合到两对称的输出波导实现信号的输出，两个光栅的对称面与电子运动方向平行。
2.如权利要求1所述的太赫兹EIK高频装置，其特征在于，所述光栅由具有槽齿结构的基板构成，亚波长孔为通孔，设置于基板的槽的位置。
3.如权利要求1所述的太赫兹EIK高频装置，其特征在于，所述亚波长孔为矩形孔,亚波长孔阵列与一个共同腔体相耦合。
4.如权利要求1所述的太赫兹EIK高频装置，其特征在于，构成EIK输入腔、中间腔和输出腔的双光栅中，两个光栅沿电子注作用区的轴线对称设置，亚波长孔对称设置于光栅间隙中。
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