CN107093539B - 一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，包括电子枪、与电子枪输出连接的高频结构、所述高频结构穿过用于聚焦电子束的磁系统、所述高频结构的另一端连接到收集极，所述收集极与高频结构的连接处连接有用于输出太赫兹高频电磁波信号的输出窗结构；所述高频结构为相速渐变结构；本发明能够在较小的电流条件下，输出比返波管更大的输出功率，拓展了太赫兹频段下的可用源的范围，满足部分系统的大功率源的需求。这一方法已被应用于太赫兹辐照等应用当中，具有很强的实际应用价值，为推动太赫兹相关产品的开发和应用奠定了基础。

Description

一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器
技术领域
本发明涉及微波电真空器件技术领域，具体涉及到一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器。
背景技术
振荡管是一种自激振荡产生微波信号输出的电真空器件，作为信号源相较与返波管，具有更大输出功率的特点，在电磁干扰、信号源系统和成像系统中具有较广的应用前景。折叠波导结构由于其高频结构具有全金属结构、竞争模式较少、功率容量大等特点，已成为100GHz以上频段具有应用前景的微电真空器件结构之一。
中国电子科技集团公司第12研究所蔡军（蔡军等，太赫兹折叠波导慢波结构止带振荡器，太赫兹科学与电子信息学报，2014年4月出版）在文中就介绍了太赫兹止带振荡器的设计加工等，其为利用上止带高增益特点进行设计的振荡器，为太赫兹止带振荡器提供了很好的参考。但是其起振电流较高，对电子枪要求较严，不利于形成稳定的连续波信号源输出。
发明内容
本发明的目的是为了克服起振电流较高的缺点，降低电子枪的研制压力，提出了一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，其利用近下止带位置色散强烈，耦合阻抗大的特点，并通过相速渐变的设计方案来进一步降低振荡的起振电流，降低电子枪设计压力，来达到稳定输出功率的目的。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，包括电子枪、与电子枪输出连接的高频结构、所述高频结构穿过用于聚焦电子束的磁系统、所述高频结构的另一端连接到收集极，所述收集极与高频结构的连接处连接有用于输出太赫兹高频电磁波信号的输出窗结构；所述高频结构为相速渐变结构。
在上述技术方案中，所述高频结构分为两段，两段高频结构的相速不同。
在上述技术方案中，所述高频结构从电子枪一端到收集极一端的相速渐变增加。
在上述技术方案中，靠近电子枪的高频结构的相速高于靠近收集极的高频结构的相速3%~10%。
在上述技术方案中，所述电子枪、高频结构、磁系统、收集极、输出窗结构连接后的内部空间为密封真空。
在上述技术方案中，所述高频结构的设计方法为：
步骤一：对初始段的慢波结构进行特性分析；
步骤二：改变慢波结构中一段的尺寸使得为跳变段慢波结构，然后对其进行特性分析，使得跳变段慢波结构比初始段慢波结构相速降低3%～10%；
步骤三：将不同慢波结构的特性值进行模拟分析，分别设计出初始段慢波结构长度和跳变段慢波结构长度。
在上述技术方案中，所述特性分析为编程或利用电磁仿真软件进行的色散特性分析、慢波损耗分析、耦合阻抗分析。
在上述技术方案中，所述特性值的模拟分析为将色散特性及耦合阻抗特性进行非线性互作用粒子模拟。
在上述技术方案中，所述步骤二中，跳变慢波结构的耦合阻抗降低量在5%以内。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提出的一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，能够在较小的电流条件下，输出比返波管更大的输出功率，拓展了太赫兹频段下的可用源的范围，满足部分系统的大功率源的需求。这一方法已被应用于太赫兹辐照等应用当中，具有很强的实际应用价值，为推动太赫兹相关产品的开发和应用奠定了基础。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器的结构简图；
图2为本发明所述相速渐变慢波结构跳变部分截面结构示意图；
其中：1是电子枪，2是高频结构，3是输出窗结构，4是收集极结构，5、6是具有不同相速的高频结构段，7是磁系统。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
将用于发射电子束的电子枪结构1、用于与电子束互作用产生太赫兹高频电磁波信号的高频结构2、用于输出太赫兹高频电磁波信号的输出窗结构3、用于收集互作用后电子束的收集极结构4和用于聚焦电子束的磁系统7按照如图示1所述的位置进行连接，通过焊接方式或者金属刀口封压的方式进行连接，保持整个内部腔体结构处于真空氛围当中。
在电子枪1上施加由高压电源提供的电信号，由电子枪1产生具有一定电子速度的电子束，该电子束被磁系统7约束在高频结构2的电子束孔通道内，在通过具有相速1的高频结构段5和具有相速2的高频结构段6组成的高频慢波结构过程中，与两端腔体发生互作用，产生自激振荡形成太赫兹高频电磁波信号，太赫兹高频电磁波信号通过输出窗结构3进行输出，互作用后的电子束通过收集极结构4进行收集能量。
本方案中，最主要的改进点就在于将高频机构设计为具有不同相速的两段，从电子枪到收集极分为两段，第一段比第二段的相速高3%～10%，而且从第一段到第二段的相速是渐变的，为了得到这种结构，本方案采用如下的设计方法对高频结构进行设计：
编程或利用电磁仿真软件对初始段的慢波结构进行色散特性分析、慢波损耗分析、耦合阻抗分析；
改变慢波结构尺寸，编程或利用电磁仿真软件对跳变慢波结构进行色散特性分析、慢波损耗分析、耦合阻抗分析，通过设计使得跳变段慢波结构比初始段慢波结构相速降低3%~10%，同时耦合阻抗降低量在5%以内；
将不同慢波结构的色散特性及耦合阻抗特性带入非线性互作用粒子模拟软件中，分别设计初始段慢波结构长度和跳变段慢波结构长度，优化跳变量及慢波长度值，使输出振荡信号最大化。
在上述的设计过程中，所谓的初始段的慢波结构也就是第一段高频结构段5，而跳变段慢波结构为第二段慢波结构段6。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (9)

1.一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，包括电子枪、与电子枪输出连接的高频结构、所述高频结构穿过用于聚焦电子束的磁系统、所述高频结构的另一端连接到收集极，所述收集极与高频结构的连接处连接有用于输出太赫兹高频电磁波信号的输出窗结构；其特征在于所述高频结构为相速渐变降低结构。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，其特征在于所述高频结构分为两段，两段高频结构的相速不同。
3.根据权利要求2所述的一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，其特征在于所述高频结构从电子枪一端到收集极一端的相速渐变降低。
4.根据权利要求3所述的一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，其特征在于靠近电子枪的高频结构的相速高于靠近收集极的高频结构的相速3%~10%。
5.根据权利要求1～4任一所述的一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，其特征在于所述电子枪、高频结构、磁系统、收集极、输出窗结构连接后的内部空间为密封真空。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，其特征在于所述高频结构的设计方法为：
步骤一：对初始段的慢波结构进行特性分析；
步骤二：改变慢波结构中一段的尺寸使得为跳变段慢波结构，然后对其进行特性分析，使得跳变段慢波结构比初始段慢波结构相速降低3%～10%；
步骤三：将不同慢波结构的特性值进行模拟分析，分别设计出初始段慢波结构长度和跳变段慢波结构长度。
7.根据权利要求6所述的一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，其特征在于所述特性分析为编程或利用电磁仿真软件进行的色散特性分析、慢波损耗分析、耦合阻抗分析。
8.根据权利要求6所述的一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，其特征在于所述特性值的模拟分析为将色散特性及耦合阻抗特性进行非线性互作用粒子模拟。
9.根据权利要求6所述的一种太赫兹相速渐变折叠波导振荡器，其特征在于所述步骤二中，跳变慢波结构的耦合阻抗降低量在5%以内。
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