CN109308984A - 一种太赫兹级联行波管倍频器件结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种太赫兹级联行波管倍频器件结构及制造方法，属于真空电子器件领域，在行波管输出慢波结构部分与收集极间，级联至少1至M个N次(M，N＝2，3，…)谐波系统。按照步骤进行设计，所述行波管高频系统要控制互作用后电子注谐波信息，级联谐波系统实现谐波功率最大化和频率响应最优化，输出谐波作为实用信息：本发明基于电磁波对电子注的非线性调制，优化行波管互作用后电子注的谐波信息，利用级联的谐波系统进行充分的能量交换，来实现倍频放大和输出。

Description

一种太赫兹级联行波管倍频器件结构及制造方法

技术领域

本发明属于真空电子器件领域，具体涉及到在频率进入太赫兹频段的一种太赫兹级联行波管倍频器件。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率范围在100GHz-3000GHz的电磁波，这种电磁波在军事、医疗、工业等领域具有很多潜在的应用。太赫兹源的研发是太赫兹科学与技术中的首要工作，是开展太赫兹应用研究的前提和关键。真空电子器件高频率、大功率的显著特点预示了其具有填补太赫兹间隙的能力。

行波管(TWT)是一种重要的真空电子器件，图1是已有技术中一支普通行波管的结构示意图，由图中可以看到这个器件总体结构包含如下7个部分，它们是：1电子枪，2输入系统，3慢波结构，它可以采用包括螺旋线、耦合腔、折叠波导等各种慢波结构，4磁聚焦系统，5集中衰减器，6输出系统，7收集极。众所周知，行波管的工作原理概述为，电子枪组件中的阴极产生一束电子注，由聚焦系统维持一定的电子注形状，通过慢波结构中的电子注通道；高频电磁场通过输入系统进入慢波结构中并以行波的方式传输，其基波的相速度与电子速度同步，电磁场通过注波互作用在电子注中获得能量，被放大的基波信息通过输出系统耦合出来，集中衰减器的作用是防止电磁波沿慢波结构反馈而引起不希望的自激振荡，收集极则用来收集通过慢波结构后已经交出基波能量的电子。与其他真空电子器件相比，行波管具有宽频带、高增益、大动态范围和低噪声等特性，到目前为止，行波管仍然是一种得到广泛应用的真空电子器件，但是在进一步向太赫兹频域的拓展中，行波管面临着输入功率驱动不足、精密零件加工困难、慢波结构高频损耗大、器件互作用区域小、装配工艺严格难以使电子注通道准直而获得高流通率等技术难题。

为了将行波管的应用范围拓展到太赫兹频域，需要站在高一层次思考这种真空电子器件的工作机理。在行波管中，电子注通过慢波结构和电磁波发生充分的注波互作用后，电子注中的基波信息得到放大并达到饱和，由于行波管的非线性工作方式，电子注的空间电荷波呈现出非正弦分布状态，这说明此时的电子注除了含有被放大基波信息外，还有被同时放大的高次谐波信息。理论和实验表明当行波管处在基波过饱和的状态时，电子注的非线性特性得到加强，谐波信息也进一步增大。

在传统的行波管理论中，认为电子注中更高频率谐波的能量限制了行波管所关注的基波能量，降低了行波管工作频率的输出功率。因此，过去的工作都是致力于如何提高基波输出功率，同时设法抑制以二次谐波为主的谐波功率，这一直都是宽频带行波管特别是倍频程以上行波管的关键研究内容。

而在当前的创新研究的理念中，则力求利用谐波，而不是去抑制谐波，基于行波管电子注内存在的大量谐波信息，利用电磁波对电子注调制的非线性来实现倍频信息放大，不仅可行，而且具有以下优点，如低频率功率驱动、工艺实现难度小、流通率高、输出功率大、频带宽和转换增益高等。根据太赫兹应用对大功率和宽频带辐射源的需要，考虑到在频率进入太赫兹频域时直接研制行波管等传统真空电子器件的难度和太赫兹信号功率驱动限制，本申请开发了这种创新的利用谐波实现倍频放大的真空电子器件。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对现有技术中，普通行波管的工作状态只考虑提高基波的输出功率，而对于以二次谐波为主的谐波功率只是抑制，传统的器件必须避免谐波这一不利因素破坏行波管性能。为了充分利用已存在于非线性电子注上的谐波信息，让它发挥有益的作用，特考虑开发一种创新的利用谐波实现倍频的器件。

本发明的目的是提供一种太赫兹级联行波管倍频器件。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案如下，一种太赫兹级联行波管倍频器件结构，器件保留传统行波管的总体结构，该器件处于真空状态下的密封金属陶瓷封接的管壳中，一端设有包含阴极、聚焦极和阳极的电子枪组件，电子枪的出口处设有行波管慢波结构，其输入慢波结构连有基波输入耦合结构，输出慢波结构连有基波输出慢波结构，中部设有切断和集中衰减器；其特征在于，该器件在行波管输出慢波结构和收集极之间，级联至少1至M个(M＝2，3，……)N次(N＝2，3，……)谐波系统，对行波管高频系统非线性互作用后电子注中的N次谐波信息加以利用；第M个级联的N次谐波系统包括慢波结构N、集中衰减器N和N次谐波输出耦合结构，实现互作用后电子注中的N次谐波信息的提取、放大和输出，级联的谐波系统直接使用行波管的电子注通道、聚焦系统和收集极。

根据上述太赫兹级联行波管倍频器件结构的制造方法，其特征在于按照以下步骤进行设计：

a.编程计算慢波结构的色散特性，分析基波和谐波的色散曲线；

b.改变慢波结构尺寸，分析基波、谐波的相速度和工作电压对应电子注速度的关系，使得它们维持一定的同步关系；

c.编程计算慢波结构基波和谐波的高频损耗；

d.编程计算慢波结构基波和谐波的耦合阻抗；

e.利用多频非线性软件进行电子注-基波-谐波的互作用模拟，基波和谐波的色散、轴线耦合阻抗以及高频损耗均作为模拟的输入，得到互作用后电子注的谐波信息I_M；

f.对级联谐波系统进行设计，充分利用行波管高频系统互作用后电子注中的谐波信息I_M，通过能量交换，对互作用后电子注中谐波信息进行提取、放大和输出，在宽频带范围内建立大功率太赫兹电磁场，并继续按照以下步骤进行设计：

g.分析级联的N次谐波系统的慢波结构N，计算N次谐波与工作电压的同步关系和耦合强度，通过电子注谐波信息I_M到电磁场的能量交换，实现N次谐波功率最大化和频率响应最优化；

h.设计级联的N次谐波系统中的集中衰减器N，匹配吸收反向电磁波，保证N次谐波系统不存在自激振荡，能够正常工作；

i.设计级联的N次谐波系统中的N次谐波高频输出系统，输出放大的N次谐波功率。

本发明的有益效果是，基于电磁波对电子注的非线性调制，优化行波管互作用后电子注的谐波信息，利用级联的谐波系统进行充分的能量交换，来实现倍频放大和输出，使谐波功率得到充分的应用。

附图说明

图1为已有技术中普通行波管结构示意图；

图2为太赫兹级联行波管倍频器件结构示意图；

图3为本发明太赫兹级联行波管倍频器的设计流程图；

图4为本发明一个实施例的基波、谐波输出功率仿真图。

图中行波管高基波频率为90GHz时，完成行波管高频系统控制二次谐波设计和级联的一个二次谐波系统的设计后，利用微波工作室套装软件(MTSS2010)仿真得到的二次谐波系统中基波和谐波输出功率的最终结果图；

具体实施方式

参照图1，表示传统使用的一支普通行波管结构示意图，为一支于真空密封状态下的行波管，1为端部的电子枪，组件中含有阴极、聚焦极和阳极，电子枪出口处设有行波管高频系统，包括输入耦合结构2，慢波结构3，磁聚焦系统4，集中衰减器5和输出耦合结构6，在行波管的末端设有收集极7。

参照图2，表示本设计太赫兹级联行波管倍频器件结构示意图，与已知技术相比，本技术方案中，1为端部的电子枪，组件中含有阴极、聚焦极和阳极，电子枪出口处设有慢波结构3，包括输入慢波结构和输出慢波结构共同控制注互作用后谐波信息量，基波输入耦合结构2实现基波功率输入，基波输出耦合结构6实现基波功率输出，在起到器件工作状态的观察和控制作用后被匹配吸收，在慢波结构和收集极7之间，级联了1至M个(M＝2，3，……)N次(N＝2，3，……)谐波系统，对行波管高频系统非线性互作用后电子注中的N次谐波信息加以利用。N次谐波系统包括新增加的集中衰减器N8、一段与行波管谐波同步的慢波结构N9和N次谐波输出耦合结构10，分别实现互作用后电子注中的N次谐波信息的振荡抑制、放大和输出。行波管高频系统和谐波系统均浸没在磁聚焦系统4中，谐波系统使用行波管的电子注通道。

参照图3，表示本发明行波管高频系统的慢波结构的控制互作用后电子注谐波信息设计和级联的第M个N次谐波系统的设计流程图，图中的流程如下进行：

a.编程计算慢波结构的色散特性，分析基波和谐波的色散曲线；

b.改变慢波结构尺寸，分析基波、谐波的相速度和工作电压对应电子注速度的关系，使得它们维持一定的同步关系；

c.编程计算慢波结构基波和谐波的高频损耗；

d.编程计算慢波结构基波和谐波的耦合阻抗；

e.利用多频非线性软件进行电子注-基波-谐波的互作用模拟，基波和谐波的色散、轴线耦合阻抗以及高频损耗均作为模拟的输入，得到互作用后电子注的谐波信息I_M；

f.对级联谐波系统进行设计，充分利用行波管高频系统互作用后电子注中的谐波信息I_M，通过能量交换，对互作用后电子注中谐波信息进行提取、放大和输出，在宽频带范围内建立大功率太赫兹电磁场，并继续按照以下步骤进行设计：

g.分析级联的N次谐波系统的慢波结构N，计算N次谐波与工作电压的同步关系和耦合强度，通过电子注谐波信息I_M到电磁场的能量交换，实现N次谐波功率最大化和频率响应最优化；

h.设计级联的N次谐波系统中的集中衰减器N，匹配吸收反向电磁波，保证N次谐波系统不存在自激振荡，能够正常工作；

i.设计级联的N次谐波系统中的N次谐波高频输出系统，输出放大的N次谐波功率。

参照图4，作为发明一个实施例仿真图，所用行波管高频系统和谐波系统慢波结构均为折叠波导的情况下，其基波频率为90GHz时，完成行波管高频系统控制二次谐波设计和级联的一个二次谐波系统的设计后，利用微波工作室套装软件(MTSS2010)仿真得到的二次谐波系统中基波和谐波输出功率的最终结果图，该设计的目的是互作用后二次谐波信息最大化，此时行波管高频系统中基波的相光速比为0.2762，轴线耦合阻抗为3.26Ω，二次谐波的相光速比为0.3007，轴线耦合阻抗为0.04Ω，基波高频损耗数值得到了实测数据的验证，理论表明在此慢波结构中二次谐波高频损耗小于基波高频损耗；二次谐波系统中谐波频率对应的相光速比为0.2719，轴线耦合阻抗为0.02Ω。太赫兹行波管倍频器三维模拟结果显示，行波管输出功率为129W时；二次谐波系统中二次谐波输出功率为169mW，该数值比目前工作在该频段的返波振荡器功率大8倍，二次谐波转换增益达到13.28dB，通过多次针对不同行波管高频系统基波频率的模拟证明了器件具有宽频带工作的能力。如果将二次谐波系统的慢波结构的工作方式设计为基波工作，经过优化设计和模拟，能够获得功率达到瓦级的谐波电磁波，满足成像和无损探伤等应用对大功率太赫兹源的需求。

由此可见，具体实施本发明所给出的技术设计方案，可以证明其理论正确、可行。

Claims (2)

1.一种太赫兹级联行波管倍频器件，该器件处于真空状态下的密封金属陶瓷封接的管壳中，一端设有包含阴极、聚焦极和阳极的电子枪组件，电子枪的出口处设有行波管慢波结构，其输入慢波结构部分连有基波输入耦合结构，输出慢波结构部分连有基波输出耦合结构，中部设有切断和集中衰减器；该器件保留了行波管的总体结构，其特征在于，该器件中，在行波管输出慢波结构部分和收集极之间，级联至少1至M个N次谐波系统对行波管非线性互作用后电子注中的N次谐波信息加以利用；第M个级联的N次谐波系统包括慢波结构N、集中衰减器N和N次谐波输出耦合结构，实现互作用后电子注中的N次谐波信息的提取、放大和输出，级联的谐波系统使用行波管的电子注通道、聚焦系统和收集极；谐波输出耦合端口作为大功率和宽频带太赫兹电磁波的输出口。

2.根据权利要求1所述的太赫兹级联行波管倍频器件结构的制造方法，其特征在于，

a.编程计算慢波结构的色散特性，分析基波和谐波的色散曲线：

b.改变慢波结构尺寸，分析基波、谐波的相速度和工作电压对应电子注速度的关系，使得基波、谐波的相速度和电子注速度维持一定的同步关系；

c.编程计算慢波结构基波和谐波的高频损耗；

d.编程计算慢波结构基波和谐波的耦合阻抗；

e.利用多频非线性软件进行电子注-基波-谐波的互作用模拟，基波和谐波的色散、轴线耦合阻抗以及高频损耗均作为模拟的输入，得到互作用后电子注的谐波信息I_M；

f.对级联谐波系统进行设计，充分利用行波管高频系统互作用后电子注中的谐波信息I_M，通过能量交换，对互作用后电子注中谐波信息进行提取、放大和输出，在宽频带范围内建立大功率太赫兹电磁场，并继续按照以下步骤进行设计：

g.分析级联的N次谐波系统的慢波结构N，计算N次谐波与工作电压的同步关系和耦合强度，通过电子注谐波信息I_M到电磁场的能量交换，实现N次谐波功率最大化和频率响应最优化；

h.设计级联的N次谐波系统中的集中衰减器N，匹配吸收反向电磁波，保证N次谐波系统不存在自激振荡，能够正常工作；

i.设计级联的N次谐波系统中的N次谐波高频输出系统，输出放大的N次谐波功率。