CN107393789A - 一种同轴tm10,1,0模耦合腔链 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴TM10,1,0模耦合腔链，包括多个设置耦合连接的TM10,1,0模同轴谐振腔、设置在TM10,1,0模同轴谐振腔轴向的电场极大值处的径向位置处的漂移管，相邻TM10,1,0模同轴谐振腔通过设置在公共腔壁的耦合槽进行耦合，TM10,1,0模同轴谐振腔的外半径与内半径根据预设的TM10,1,0模同轴谐振腔的频率设置。所述同轴TM10,1,0模耦合腔链，通过将多个TM10,1,0模同轴谐振腔通过耦合槽进行耦合，由于工作在高次模，横向尺寸可以设计的更大，且可以放置更多的漂移管，容纳更多的电子注，相邻漂移管的间隔比较大，可采用阴极面积较大的电子枪，从而在不影响器件的稳定性和寿命的前提下提高效率和功率，使得器件在THz波段有良好的性能。

Description

一种同轴TM10,1,0模耦合腔链
技术领域
本发明涉及耦合腔技术领域，特别是涉及一种同轴TM10,1,0模耦合腔链。
背景技术
耦合腔链是扩展互作用器件(扩展互作用速调管，扩展互作用振荡器)和耦合腔行波管的核心部件。耦合腔链由一系列谐振腔、耦合槽和漂移管组成。腔与腔之间通过设置在相邻壁上的耦合槽缝相互耦合，电子注从漂移管通过，电磁波通过腔壁耦合槽缝传输。由于漂移管处于截止状态，电磁场基本上集中在间隙内，所以电子注与耦合腔链的相互作用也是基本上集中在间隙内。
扩展互作用器件在毫米波段具有较高的效率和功率，但是当频率提高到太赫兹(THz)波段，随着频率上升，器件内部结构的尺寸将逐渐缩小，注波互作用距离的缩短和强电场击穿阈值限制了注波换能效率和输出功率水平的提高，同时也使其制造工艺难度大增。为了跨越电子学“缩尺效应”的障碍，使扩展互作用器件在THz波段有较高的效率和功率，必须设计合适的耦合腔链结构。
目前的耦合腔链一般工作在基模，谐振腔结构一般为圆柱形谐振腔或矩形谐振腔，电子注集中在腔体中心，随着工作频率的提高到太赫兹(THz)波段，耦合腔链的横向尺寸和互作用间隙逐渐缩小，漂移管的直径也随之变得十分细小，过于细小的漂移管会影响电子注的通过率，从而严重影响器件的效率和功率。在保证漂移管直径大小合理的情况下，只能加大电子枪的阴极电流来提高输出功率，这样又导致电子注的导流系数和电子枪的阴极负载较高，也严重影响了注波换能效率和器件的寿命，而且电子枪的阴极电流受到电子枪性能的限制，并不能无限制地增大。总的来说，当前的基模耦合腔链在THz频段存在横向尺寸小，注波换能效率低，功率小的缺点。
发明内容
本发明提出了一种同轴TM10,1,0模耦合腔链，将扩展互作用器件和耦合腔行波管的工作频率从毫米波段拓展至THz波段有效提高器件的效率和功率。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种同轴TM10,1,0模耦合腔链，包括多个设置耦合连接的TM10,1,0模同轴谐振腔、设置在所述TM10,1,0模同轴谐振腔轴向的电场极大值处的径向位置处的漂移管，相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔通过设置在公共腔壁的耦合槽进行耦合，所述TM10,1,0模同轴谐振腔的外半径与内半径根据预设的所述TM10,1,0模同轴谐振腔的频率设置。
其中，所述TM10,1,0模同轴谐振腔的数量为4～8。
其中，所述漂移管的半径小于所述TM10,1,0模同轴谐振腔的预设频率的电磁波截止时的半径。
其中，所述TM10,1,0模同轴谐振腔为非重入式结构谐振腔或重入式结构耦合腔。
其中，相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔之间的间隔长度相等。
其中，所述漂移管的数量为10个。
其中，在所述TM10,1,0模同轴谐振腔的腔体横截面10根所述漂移管均匀分布。
其中，相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔之间的耦合为双槽交叉耦合、单槽交叉耦合、双槽直列耦合、双槽内外交错耦合、多耦合槽交错耦合、多耦合槽内外交错耦合中的任意一种。
本发明实施例所提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链，包括多个设置耦合连接的TM10,1,0模同轴谐振腔、设置在所述TM10,1,0模同轴谐振腔轴向的电场极大值处的径向位置处的漂移管，相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔通过设置在公共腔壁的耦合槽进行耦合，所述TM10,1,0模同轴谐振腔的外半径与内半径根据预设的所述TM10,1,0模同轴谐振腔的频率设置，相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔上设置的耦合槽进行耦合。
所述同轴TM10,1,0模耦合腔链，通过将多个TM10,1,0模同轴谐振腔通过耦合槽进行耦合，由于工作在高次模，横向尺寸可以设计的更大，且可以放置更多的漂移管，容纳更多的电子注，相邻漂移管的间隔比较大，可采用阴极面积较大的电子枪，降低阴极的发射电流密度，从而在不影响器件的稳定性和寿命的前提下提高效率和功率，使得器件在THz波段有良好的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链一种具体实施方式的A-A面剖视图结构示意图；
图2为本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链一种具体实施方式的B-B面剖视图结构示意图；
图3为本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链一种具体实施方式的C-C面剖视图结构示意图；
图4为本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链一种具体实施方式的D-D面剖视图结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1～图4，图1为本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链一种具体实施方式的A-A面剖视图结构示意图；图2为本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链一种具体实施方式的B-B面剖视图结构示意图；图3为本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链一种具体实施方式的C-C面剖视图结构示意图；图4为本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链一种具体实施方式的D-D面剖视图结构示意图。
在一种具体实施方式中，所述同轴TM10,1,0模耦合腔链，包括多个设置耦合连接的TM10,1,0模同轴谐振腔2、设置在所述TM10,1,0模同轴谐振腔2轴向的电场极大值处的径向位置处的漂移管3，相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔2通过设置在公共腔壁1的耦合槽4进行耦合，所述TM10,1,0模同轴谐振腔2的外半径与内半径根据预设的所述TM10,1,0模同轴谐振腔2的频率设置。
通过将多个TM10,1,0模同轴谐振腔2通过耦合槽4进行耦合，由于工作在高次模，横向尺寸可以设计的更大，且可以放置更多的漂移管3，容纳更多的电子注，相邻漂移管3的间隔比较大，可采用阴极面积较大的电子枪，降低阴极的发射电流密度，从而在不影响器件的稳定性和寿命的前提下提高效率和功率，使得器件在THz波段有良好的性能。
本发明的一个实施例中，将4相同的TM10,1,0模同轴谐振腔2，通过公共腔壁1上的耦合槽4耦合起来，就可以构成一个4间隙同轴TM10,1,0模耦合腔链。在耦合槽4结构参数一致的情况下，耦合的腔数越多，耦合腔链的特性阻抗R/Q越大，功率容量越大，但是耦合腔链中存在的谐振模式越多，各个模式谐振频率之间的间隔越小，可能会导致各模式彼此干扰，影响器件稳定性。
因此，本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模同轴谐振腔2链中，一般，所述TM10,1,0模同轴谐振腔2的数量为4～8。如在一实施例中，4间隙同轴TM10,1,0模耦合腔链是比较合理的设计，相邻耦合腔之间间隔(即同轴腔底面金属片的厚度)，取决于所需的电子渡越角以及加速电压。
本发明中，对于TM10,1,0模同轴谐振腔2与耦合槽4之间的耦合方式结构不做限定，一般相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔2的通过所述耦合槽4耦合为双槽交叉耦合、单槽交叉耦合、双槽直列耦合、双槽内外交错耦合、多耦合槽4交错耦合、多耦合槽4内外交错耦合中的任意一种，或者其它的耦合方式。
而为了增大各个模式谐振频率之间的间隔，避免谐振模式之间的干扰，本发明的一个实施例中，相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔2的通过所述耦合槽4耦合为双槽交叉耦合，所述公共腔壁1上设置有两个形状相同且关于轴线对称的所述耦合槽4，相邻所述公共腔壁1上的所述耦合槽4错开的角度为90度。
本发明中，耦合槽4张角和厚度对耦合腔链中各个谐振模式的频率影响很大，理论上张角和厚度越大，各模式间的频率间隔越大，越有利于避免谐振模式间的干扰，但张角和厚度的增大但是会降低腔体的特性阻抗R/Q，理论上特性阻抗越大，电子注与谐振腔2的互作用程度越高，效率和功率越高，因此应根据实际需求选择耦合槽4的张角和厚度。
本发明对于耦合槽4的张角以及厚度不做具体限定，一般所述耦合槽4的张角为18°～72°。同时，耦合槽4与漂移管3应有一定的距离，避免强电场击穿，本实例的耦合槽4厚度为0.1mm。
本发明实施例提供的TM10,1,0模同轴耦合腔链，由多个个相同的TM10,1,0模同轴谐振腔2耦合而成，同轴谐振腔2的外半径a和内半径b可根据所需的谐振频率，利用特征方程求出。
在谐振腔2轴向电场极大值的径向位置rm放置漂移管3，TM10,1,0模同轴谐振腔2的轴向电场分布通过计算存在10个电场极大值，即总共可放置10根漂移管3，每根漂移管3至少可以容纳一个电子注。
而对于漂移管3半径的选择，一般在使得漂移管3对谐振腔2内的电磁波截止的前提下经可能的大，则腔中的电场主要集中在间隙处。即所述漂移管3的半径小于所述TM10,1,0模同轴谐振腔2的预设频率的电磁波截止时的半径。
而由于漂移管3的设置有具体的要求，在所述TM10,1,0模同轴谐振腔2的腔体横截面10根所述漂移管3均匀分布。
即多根漂移管3的轴心相对于整个谐振腔2链的轴心是对称的。
需要指出的是，本发明对于漂移管3的尺寸不做具体限定，所有的漂移管3的尺寸参数必须相同。不过，一般为了降低工艺难度会将漂移管3的尺寸设计为相同，而所述漂移管3的数量为10个。
本发明的所述TM10,1,0模同轴谐振腔2可以为非重入式结构谐振腔2，也可以为重入式结构耦合腔，当工作平率较低时一般采用重入式结构，而在本发明中由于需要从毫米波到THz波扩展，频率会加大，腔体的高度h较小，为了避免因互作用间隙过小而被强电场击穿，一般因此采用非重入式谐振腔结构，即互作用间隙长度等于腔体高度。
而对于本发明中的耦合腔链的相邻谐振腔2之间的间隔长度，可以相等，也可以不相等，本发明对其不做具体限定。一般在用于耦合腔行波管，以及扩展互作用器件的输入腔，中间腔和输出腔时，将相邻谐振腔2之间的间隔长度设计为相等，当用于扩展互作用器件的输出腔时，采用间隔长度不相等的设计结构。
在本发明的一个实施例中，4间隙TM10,1,0模同轴耦合腔链的工作频率为0.3THz。
首先，根据0.3THz的谐振频率设计TM10,1,0模同轴谐振腔2的内外半径，根据理论计算可得谐振腔外半径a＝2.3756mm，内半径b＝2.3756mm。
然后，计算得到轴向电场极大值的径向位置rm＝1.98mm，然后在轴向电场极大值的径向位置上放置漂移管3，对于TM10,1,0模同轴谐振腔2，有10个轴向电场极大值点，因此总共放置10根漂移管3。适当选择漂移管3的半径，使得漂移管3对0.3THz的电磁波截止，本实施例中漂移管3的半径r＝0.25mm。
在相邻腔体的公共腔壁1上开两个张角和厚度都相同的耦合槽4，且相邻腔壁1上的耦合槽4错开90°。将4个相同的同轴谐振腔2通过上述的漂移管3和耦合槽4连接起来，就构成了4间隙TM10,1,0模同轴耦合腔链。对于拥有n个腔体的耦合腔链，总共有n个谐振模式，但为了获取较大的特性阻抗R/Q，本例采用2π模为工作模式，2π模的谐振频率与单个谐振腔2的谐振频率相等，即为0.3THz。
增大耦合槽4的张角和厚度可以增大耦合腔链中各模式谐振频率的间隔，但张角和厚度过大会降低特性阻抗，应根据实际需求进行调整，本例中耦合槽4的张角α＝54°，厚度t＝0.1mm。相邻耦合腔之间间隔l(即同轴腔底面金属片的厚度)，取决于所需的电子渡越角以及加速电压，本例取渡越角为10.0π，加速电压为10kV时，对应的长度约1.0mm，因此取l＝1.0mm。由于漂移管3和耦合槽4会影响谐振频率，因此在确定这两者的尺寸后，还需要根据所需的谐振频率微调腔体的内外半径，本例调整后的内外半径分别为a＝2.4363mm，b＝1.5mm。
理论上，特性阻抗越大R/Q，电子注与谐振腔2的互作用程度越高，效率和功率越高，根据理论计算和软件仿真，上述的4间隙TM10,1,0模同轴耦合腔链的平均特性阻抗R/Q＝60Ω，而且其工作模与相邻的干扰模都有1GHz以上的频率间隔，可见本发明提出的TM10,1,0模同轴耦合腔链能在稳定工作的情况下获得较高的效率和功率。
需要指出的是，本发明对于同轴TM10,1,0模耦合腔链的具体的工作频率范围和功率范围不做具体限定，可以根据实际需求进行计算获得。
综上所述，本发明实施例提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链，通过将多个TM10,1,0模同轴谐振腔通过耦合槽进行耦合，由于工作在高次模，横向尺寸可以设计的更大，且可以放置更多的漂移管，容纳更多的电子注，相邻漂移管的间隔比较大，可采用阴极面积较大的电子枪，降低阴极的发射电流密度，从而在不影响器件的稳定性和寿命的前提下提高效率和功率，使得器件在THz波段有良好的性能。
以上对本发明所提供的同轴TM10,1,0模耦合腔链进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种同轴TM10,1,0模耦合腔链，其特征在于，包括多个设置耦合连接的TM10,1,0模同轴谐振腔、设置在所述TM10,1,0模同轴谐振腔轴向的电场极大值处的径向位置处的漂移管，相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔通过设置在公共腔壁的耦合槽进行耦合，所述TM10,1,0模同轴谐振腔的外半径与内半径根据预设的所述TM10,1,0模同轴谐振腔的频率设置。
2.如权利要求1所述同轴TM10,1,0模耦合腔链，其特征在于，所述TM10,1,0模同轴谐振腔的数量为4～8。
3.如权利要求2所述同轴TM10,1,0模耦合腔链，其特征在于，所述漂移管的半径小于所述TM10,1,0模同轴谐振腔的预设频率的电磁波截止时的半径。
4.如权利要求3所述同轴TM10,1,0模耦合腔链，其特征在于，所述TM10,1,0模同轴谐振腔为非重入式结构谐振腔或重入式结构耦合腔。
5.如权利要求1所述同轴TM10,1,0模耦合腔链，其特征在于，所述漂移管的数量为10个。
6.如权利要求5所述同轴TM10,1,0模耦合腔链，其特征在于，在所述TM10,1,0模同轴谐振腔的腔体横截面10根所述漂移管均匀分布。
7.如权利要求1所述同轴TM10,1,0模耦合腔链，其特征在于，相邻所述TM10,1,0模同轴谐振腔之间的耦合为双槽交叉耦合、单槽交叉耦合、双槽直列耦合、双槽内外交错耦合、多耦合槽交错耦合、多耦合槽内外交错耦合中的任意一种。
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