CN106803473B - 一种0.34THz行波管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种0.34THz行波管，属于微波真空电子器件领域，包括波导宽边长度a为0.5mm±0.02mm，波导窄边长度b为0.08mm±0.02mm，半周期长度p为0.14mm±0.02mm，直波导长度h为0.21mm±0.02mm，弯曲波导半径ravg为0.02mm±0.01mm，电子束通道半径rt为0.09mm±0.01mm的慢波结构，窗片厚度为0.1mm±0.02mm，直径为1.8mm±0.05mm，圆柱谐振腔直径为1.2mm±0.05mm，高度为0.1mm±0.05mm的输能窗，本发明的0.34THz行波管带宽达到2GHz，增益达到20dB，输出功率达到130mW，满足0.34THz频段太赫兹应用系统的需求，可以被应用于太赫兹雷达以及太赫兹通信系统当中。

Description

一种0.34THz行波管
技术领域
本发明涉及微波真空电子器件领域，具体地说涉及一种0.34THz行波管。
背景技术
随着科学技术的发展，在无线通信领域低频段的频谱资源日益短缺，急需向更高频段拓展，太赫兹波是指频率在1011Hz至1013Hz范围内的电磁波，其频率是微波的几十至几百倍，能够容纳的信道容量相比微波频段要多得多，特别适合于宽带高速无线数据通信。对于雷达系统来说，由于太赫兹波的载波频率高，波长短，其对运动目标进行探测时的多普勒频移相比微波来说更大，可以实现更高的成像分辨率以及更精确的定位。为了拓展太赫兹应用系统的作用距离，最为简单有效的途径是提高系统中信号发射源的输出功率；此外，为了获得较高的通信速率以及成像分辨率，系统又要求信号发射源具备足够的带宽，目前信号源的现有水平已制约了太赫兹技术的发展，急需提高太赫兹源的整体性能。
行波管广泛地应用于电子对抗、雷达系统以及卫星通信等领域。行波管的基本工作原理，是利用阴极发射出来的直流电子注与电磁场发生相互作用，电子注产生群聚现象并进行能量交换，将电子直流能量转化为高频微波能量进行输出，形成信号放大器的功能。相比于固态微波放大器，行波管放大器具有大功率、宽频带、高效率、高增益等特点，在很多场合下是固态微波放大器所无法替代的。
频率0.34THz附近存在一个大气传输窗口，其中THz是一个频率的单位，为1012Hz。该频段太赫兹波的大气传输衰减相比临近频段更小，对于太赫兹应用系统来说，0.34THz是一个理想的载波信号频率。工作频率为0.34THz的远距离太赫兹应用系统需要0.34THz行波管作为末级放大器为系统提供大功率宽带载波信号，而现有的0.34THz行波管输出功率只能达到约40mW，无法满足该频段太赫兹应用系统的需求。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种0.34THz行波管，该行波管的带宽达到2GHz，增益达到20dB，输出功率达到130mW，可以满足0.34THz频段太赫兹应用系统的需求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种0.34THz行波管，包括电子枪、慢波结构、输能窗、磁聚焦系统以及收集极，所述慢波结构采用折叠波导结构，其参数包括波导宽边长度a、波导窄边长度b、半周期长度p、直波导长度h、弯曲波导半径ravg以及电子束通道半径rt，其中，波导宽边长度a为0.5mm±0.02mm，波导窄边长度b为0.08mm±0.02mm，半周期长度p为0.14mm±0.02mm，直波导长度h为0.21mm±0.02mm，弯曲波导半径ravg为0.02mm±0.01mm，电子束通道半径rt为0.09mm±0.01mm；
所述输能窗采用盒型窗结构，包括窗体和设于窗体内的窗片，所述窗片的厚度为0.1mm±0.02mm，直径为1.8mm±0.05mm，所述窗片的上下两端面各连接有一个圆柱谐振腔，所述圆柱谐振腔的直径为1.2mm±0.05mm，高度为0.1mm±0.05mm，所述窗片外径与圆柱谐振腔外径的同心度在0.01mm以内，所述两圆柱谐振腔外端各连接一段矩形波导，所述矩形波导为WR2.8标准波导。
进一步，所述慢波结构采用无氧铜材料制备而成，采用微铣削工艺或者UV-LIGA工艺进行加工，加工的表面粗糙度优于200nm。
进一步，所述慢波结构的总长度为200至300倍半周期长度。
进一步，所述窗体采用弥散无氧铜制备而成，所述窗片为蓝宝石窗片。
进一步，所述电子枪包括阴极、聚焦极和阳极，所述电子枪的直径为30mm±5mm，长度为60mm±5mm，所述阴极电位设置在-17000V，所述阴极发射面直径为0.5mm至1mm，所述阴极外径与阳极外径的同心度在0.02mm以内。
进一步，所述行波管工作时，所述电子枪的设置参数包括：电子束射程为10mm至15mm，电子束的束腰半径为0.04mm至0.08mm，电子束的电流为10mA至30mA。
进一步，所述磁聚焦系统采用周期永磁聚焦结构，磁场的周期性峰值为4000Gs至5000Gs，磁场的周期长度为7mm±1mm。
进一步，所述收集极采用一级降压收集极，包括电子吸收体、高压接线极和外筒，所述电子吸收体设于外筒内，所述电子吸收体与外筒之间设有电子吸收体绝缘陶瓷，所述高压接线极设置在外筒尾端，所述高压接线极与外筒之间设置有接线极绝缘陶瓷。
进一步，所述外筒的外径为40mm±5mm，所述外筒的外长为80mm±5mm。
进一步，所述电子吸收体的内径为20mm±5mm，所述电子吸收体的电位设置在-7000V，所述外筒内径与电子吸收体内径的同心度在0.05mm以内。
本发明的有益效果是：
本发明提供的0.34THz行波管设置的慢波结构为折叠波导结构，其波导宽边长度a为0.5mm±0.02mm，波导窄边长度b为0.08mm±0.02mm，半周期长度p为0.14mm±0.02mm，直波导长度h为0.21mm±0.02mm，弯曲波导半径ravg为0.02mm±0.01mm，电子束通道半径rt为0.09mm±0.01mm，提高了束-波互作用的耦合阻抗，在中心频率0.34THz处，耦合阻抗由现有的1.2Ω提高至1.8Ω；设置的输能窗的窗片的厚度为0.1mm±0.02mm，直径为1.8mm±0.05mm，圆柱谐振腔的直径为1.2mm±0.05mm，高度为0.1mm±0.05mm，窗片外径与圆柱谐振腔外径的同心度在0.01mm以内，从而降低了输能窗的驻波比，输能窗的在中心频率0.34THz处的驻波比由现有的2降低至1.4，通过对慢波结构和输能窗进行的改进，提高了0.34THz行波管的输出功率，其带宽达到2GHz，增益达到20dB，输出功率达到130mW，满足太赫兹雷达以及太赫兹通信系统当中对于行波管放大器的要求。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的慢波结构关键结构参数示意图；
图3是本发明的输能窗结构示意图；
图4是本发明的电子枪结构示意图；
图5是本发明的收集极结构示意图。
附图中：1-电子枪，11-阴极，12-聚焦极，13-阳极，2-慢波结构，3-输能窗，31-窗片，32-圆柱谐振腔，33-矩形导波，4-磁聚焦系统，5-收集极，51-电子吸收体，52-吸收体绝缘陶瓷，53-外筒，54-高压接线极，55-接线极绝缘陶瓷。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
考虑到工作频率为0.34THz的远距离太赫兹应用系统需要0.34THz行波管作为末级放大器为系统提供大功率宽带载波信号，而现有的0.34THz行波管输出功率只能达到约40mW，无法满足该频段太赫兹应用系统的需求。基于此，本发明实施例提供了一种输出功率达130mW的0.34THz行波管，如图1所示的0.34THz行波管的结构示意图，该行波管由电子枪1、慢波结构2、输能窗3、磁聚焦系统4和收集极组成。
其中，如图2所示的慢波结构关键结构参数示意图，所述慢波结构2采用折叠波导结构，所述慢波结构2采用无氧铜材料制备而成，采用微铣削工艺或者UV-LIGA工艺进行加工，加工的表面粗糙度优于200nm，所述慢波结构2的总长度为200至300倍半周期长度，所述慢波结构2的参数包括波导宽边长度a、波导窄边长度b、半周期长度p、直波导长度h、弯曲波导半径ravg以及电子束通道半径rt，其中，波导宽边长度a为0.5mm±0.02mm，波导窄边长度b为0.08mm±0.02mm，半周期长度p为0.14mm±0.02mm，直波导长度h为0.21mm±0.02mm，弯曲波导半径ravg为0.02mm±0.01mm，电子束通道半径rt为0.09mm±0.01mm。
上述慢波结构2与现有慢波结构相比，主要改进之处在于，通过对慢波结构关键结构参数的优化提高了束-波互作用的耦合阻抗，在中心频率0.34THz处，耦合阻抗由现有的1.2Ω提高至1.8Ω，从而提高了输出功率。
考虑到输能窗3的反射过大，在高功率条件下返回到行波管的功率增大，过大的反射将会引起工作模式和寄生模式的振荡，从而导致波-注互作用效率降低和输出模式纯度变差，甚至使行波管不能正常工作，基于此，如图3所示的输能窗结构示意图，所述输能窗3采用盒型窗结构，包括窗体和设于窗体内的窗片31，所述窗体采用弥散无氧铜制备而成，所述窗片31为蓝宝石窗片，所述窗片31的厚度为0.1mm±0.02mm，直径为1.8mm±0.05mm，所述窗片31的上下两端面各连接有一个圆柱谐振腔32，所述圆柱谐振腔32的直径为1.2mm±0.05mm，高度为0.1mm±0.05mm，所述窗片31外径与圆柱谐振腔32外径的同心度在0.01mm以内，所述两圆柱谐振腔32外端各连接一段矩形波导33，所述矩形波导33为WR2.8标准波导。
上述输能窗3与现有输能窗相比，主要改进之处在于，通过对输能窗结构以及尺寸的优化，降低了输能窗3的电压驻波比，所述输能窗3在中心频率0.34THz处的电压驻波比由现有的2降低至1.4，降低了输能窗3的反射，提高了能量耦合输出效率。
如图4所示的电子枪结构示意图，电子枪1采用三极结构，包括阴极11、聚焦极12和阳极13，在上述行波管的基础上，本实施例的电子枪1的直径为30mm±5mm，长度为60mm±5mm，所述阴极11电位设置在-17000V，所述阴极11发射面直径为0.5mm至1mm，所述阴极11外径与阳极13外径的同心度在0.02mm以内，所述行波管工作时，所述电子枪的设置参数包括：电子束射程为10mm至15mm，电子束的束腰半径为0.04mm至0.08mm，电子束的电流为10mA至30mA。
所述磁聚焦系统4采用周期永磁聚焦结构，磁场的周期性峰值为4000Gs至5000Gs，磁场的周期长度为7mm±1mm。
如图5所示的收集极结构示意图，所述收集极5采用一级降压收集极，包括电子吸收体51、高压接线极54和外筒53，所述电子吸收体51设于外筒53内，所述电子吸收体51与外筒53之间设有电子吸收体绝缘陶瓷52，所述高压接线极54设置在外筒53尾端，所述高压接线极54与外筒53之间设置有接线极绝缘陶瓷55，在上述行波管的基础上，所述外筒53的外径为40mm±5mm，所述外筒53的外长为80mm±5mm，所述电子吸收体51的内径为20mm±5mm，所述电子吸收体51的电位设置在-7000V，所述外筒53内径与电子吸收体51内径的同心度在0.05mm以内。
上述0.34THz行波管带宽达到2GHz，增益达到20dB，输出功率达到130mW，满足0.34THz频段太赫兹应用系统的需求，可以被应用于太赫兹雷达以及太赫兹通信系统当中。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种0.34THz行波管，包括电子枪、慢波结构、输能窗、磁聚焦系统以及收集极，其特征在于：所述慢波结构采用折叠波导结构，其参数包括波导宽边长度a、波导窄边长度b、半周期长度p、直波导长度h、弯曲波导半径ravg以及电子束通道半径rt，其中，波导宽边长度a为0.5mm±0.02mm，波导窄边长度b为0.08mm±0.02mm，半周期长度p为0.14mm±0.02mm，直波导长度h为0.21mm±0.02mm，弯曲波导半径ravg为0.02mm±0.01mm，电子束通道半径rt为0.09mm±0.01mm，所述慢波结构的总长度为200至300倍半周期长度；
所述输能窗采用盒型窗结构，包括窗体和设于窗体内的窗片，所述窗片的厚度为0.1mm±0.02mm，直径为1.8mm±0.05mm，所述窗片的上下两端面各连接有一个圆柱谐振腔，所述圆柱谐振腔的直径为1.2mm±0.05mm，高度为0.1mm±0.05mm，所述窗片外径与圆柱谐振腔外径的同心度在0.01mm以内，所述两圆柱谐振腔外端各连接一段矩形波导，所述矩形波导为WR2.8标准波导。
2.根据权利要求1所述的一种0.34THz行波管，其特征在于：所述慢波结构采用无氧铜材料制备而成，采用微铣削工艺或者UV-LIGA工艺进行加工，加工的表面粗糙度优于200nm。
3.根据权利要求1所述的一种0.34THz行波管，其特征在于：所述窗体采用弥散无氧铜制备而成，所述窗片为蓝宝石窗片。
4.根据权利要求1所述的一种0.34THz行波管，其特征在于：所述电子枪包括阴极、聚焦极和阳极，所述电子枪的直径为30mm±5mm，长度为60mm±5mm，所述阴极电位设置在-17000V，所述阴极发射面直径为0.5mm至1mm，所述阴极外径与阳极外径的同心度在0.02mm以内。
5.根据权利要求4所述的一种0.34THz行波管，其特征在于：所述行波管工作时，所述电子枪的设置参数包括：电子束射程为10mm至15mm，电子束的束腰半径为0.04mm至0.08mm，电子束的电流为10mA至30mA。
6.根据权利要求1所述的一种0.34THz行波管，其特征在于：所述磁聚焦系统采用周期永磁聚焦结构，磁场的周期性峰值为4000Gs至5000Gs，磁场的周期长度为7mm±1mm。
7.根据权利要求1所述的一种0.34THz行波管，其特征在于：所述收集极采用一级降压收集极，包括电子吸收体、高压接线极和外筒，所述电子吸收体设于外筒内，所述电子吸收体与外筒之间设有电子吸收体绝缘陶瓷，所述高压接线极设置在外筒尾端，所述高压接线极与外筒之间设置有接线极绝缘陶瓷。
8.根据权利要求7所述的一种0.34THz行波管，其特征在于：所述外筒的外径为40mm±5mm，所述外筒的外长为80mm±5mm。
9.根据权利要求8所述的一种0.34THz行波管，其特征在于：所述电子吸收体的内径为20mm±5mm，所述电子吸收体的电位设置在-7000V，所述外筒内径与电子吸收体内径的同心度在0.05mm以内。
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