CN109887820B - 一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种折叠波导前向波‑返波反馈式太赫兹辐射源，应用于真空电子技术领域，为了解决相干检测中对本振信号的缺乏以及相干信号之间的频差对检测灵敏度的影响，本发明包括：阴极、慢波结构、能量输入耦合器、能量输出耦合器、环形器以及收集极；阴极产生电子注，与输入能量耦合器中的电磁波进行注波互作用，构成一个正向的反馈回路，实现在两个方向上分别获得瓦量级的太赫兹信号源，最后前向波从能量输出耦合器中输出，返波从能量输入耦合器中经由环形器输出；本发明利用工作于同一频点的前向波和返波分别与不同电子注相互作用，从而构成反馈链路，大大缩短互作用的长度，具备小型化、集成化的优点，并且提高了太赫兹放大器的增益。

Description

一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，特别涉及一种太赫兹辐射源技术。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz-10THz内的电磁波，其波段位于毫米波波段和红外光波波段之间，同时具有微波和光波优良特性，是第三类重要频谱信息资源，具有大带宽、高精度、高分辨、透射强、无损伤等特点，在遥测遥感、医疗诊断、射电天文、国土安全、安全检查、超高速卫星通信等领域具有重要的应用价值。目前，太赫兹科学已成为国际学术研究的前沿和热点，与物理、化学、生物、天文等多个学科相互交叠，引领新的研究方向，提供新的认知手段。随着微细加工工艺的发展，在太赫兹波段真空电子器件以其带宽宽、工作稳定、能够获得瓦级的功率输出等优良特性，是目前发展较为迅速的太赫兹辐射源。随着频率的升高，慢波结构的尺寸缩小，耦合阻抗较低，电路损耗大，互作用效率低等问题是真空太赫兹辐射源面临的主要问题，同时传统前向波器件或返波器件都需要维持足够的互作用长度下才能实现功率放大，使得电子注聚焦以及器件加工的难度大大增加。因此我们提出基于折叠波导慢波结构的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，利用工作于同一频点的前向波和返波分别与不同电子注相互作用，从而构成反馈链路，提高太赫兹放大器的增益，有效实现工作在同一频点的前向波和返波信号输出，解决相干检测中对本振信号的缺乏以及相干信号之间的频差对检测灵敏度的影响，为太赫兹相干检测技术的发展提供更多可能。

随着频率的升高，慢波结构的尺寸缩小，耦合阻抗较低，电路损耗大，互作用效率低等问题是真空太赫兹辐射源面临的主要问题，同时传统前向波器件或返波器件都需要维持足够的互作用长度下才能实现功率放大，使得电子注聚焦以及器件加工的难度大大增加。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，能同时输出两个相同频率的太赫兹信号源。

本发明采用的技术方案为：一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，包括：阴极、慢波结构、能量输入耦合器、能量输出耦合器、环形器以及收集极；

电磁信号经环形器进入能量输入耦合器；环形器与能量输入耦合器的输入端相连，能量输入耦合器的输出端接慢波结构的第一端，慢波结构的第二端接能量输出耦合器的输入端；

阴极用于产生至少两个圆形异速的电子注；所述阴极产生的至少两个圆形异速的电子注从慢波结构第一端输入；

慢波结构为具备前向波-返波反馈回路的任意周期性的慢波结构；所述慢波结构为双通道折叠波导慢波结构，所述慢波结构的材料为无氧铜

收集极用于回收经慢波结构第二端输出的电子注；

所述电磁信号在慢波结构中经至少两个电子注调谐，同时产生工作在同一个频点的两个太赫兹辐射信号；所述两个输出信号为瓦量级，两个输出信号具体为前向波与返波，前向波从能量输入耦合器的输出端输出，返波从能量输入耦合器中经环形器输出。

本发明的两个输出信号的工作频点范围为136GHz-143GHz。

进一步地，所述能量输入耦合器包括：第一矩形波导与第二矩形波导，所述第一矩形波导第一端与环形器相连，第一矩形波导的第二端与第二矩形波导第一端相连，第二矩形波导第二端与慢波结构第一端相连。所述能量输入耦合器的材料为无氧铜

进一步地，所述能量输出耦合器包括：第三矩形波导与第四矩形波导，所述第三矩形波导第一端作为电磁信号的输出端口，第三矩形波导的第二端与第四矩形波导第一端相连，第四矩形波导第二端与慢波结构第一端相连。所述能量输出耦合器的材料为无氧铜

更进一步地，所述第一矩形波导与第三矩形波导均为标准矩形波导。

更进一步地，所述第二矩形波导与第四矩形波导均为长度和宽度线性变化的矩形波导。

本发明的有益效果：本发明包括一个阴极、慢波结构、能量输入输出耦合器，通过阴极产生电子注，与输入能量耦合器中的电磁波进行注波互作用，构成一个正向的反馈回路，实现一种带选频特性的超宽带，瓦量级，同时输出两个相同频率的太赫兹辐射源；本发明具备以下优点：

(1)前向波-返波反馈式太赫兹辐射源与传统的行波管和返波管相比，慢波电路中电子注与电磁波在进行注波互作用的同时构成正反馈回路，大大缩短互作用的长度。然而，传统前向波器件或返波器件都需要维持足够的互作用长度下才能实现功率放大等问题，也增加了电子注聚焦以及器件加工的难度。本发明的这一特点有利于实现太赫兹器件的小型化、集成化。

(2)前向波-返波反馈式太赫兹辐射源利用工作于同一频点的前向波和返波分别与不同电子注相互作用，从而构成反馈链路，同时耗尽式的激励太赫兹波能量，有效实现微波输出，从而解决了耦合阻抗低，电路损耗大。

(3)前向波-返波反馈式太赫兹辐射源通过电子注的调谐，能够同时产生工作在同一个频点的两个W级输出信号。

附图说明

图1是本发明实施例提供的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于折叠波导的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源工作原理示意图；

图3是本发明实施例提供的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源慢波结构示意图；

图4是本发明实施例提供的基于折叠波导的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源慢波结构色散特性曲线；

图5是本发明实施例提供的基于折叠波导的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源慢波结构射频传输特性仿真图；

图6是本发明实施例提供的基于折叠波导的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源的传输、反射随频率的变化图；

图7是本发明实施例提供的基于折叠波导的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源输出信号随时间的变化图；

图8是本发明实施例提供的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源的输出信号频谱图；

图9是本发明实施例提供的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源工作频点随着电子注2 的工作电压变化图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

为解决背景技术部分提出的问题，本发明提出基于折叠波导慢波结构的前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，利用工作于同一频点的前向波和返波分别与不同电子注相互作用，从而构成反馈链路，提高太赫兹放大器的增益，有效实现工作在同一频点的前向波和返波信号输出，解决相干检测中对本振信号的缺乏以及相干信号之间的频差对检测灵敏度的影响，为太赫兹相干检测技术的发展提供更多可能。

本领域技术人员在实际应用时慢波结构也可以是多通道，形成多个注波互作用，最后得到两个瓦级输出，具体的电子注电压调整根据实际情况确定；本实施例仅以两个通道的慢波结构为例进行说明。

如图1所示，本发明前向波-返波反馈式太赫兹辐射源包括一个阴极1、一个慢波结构 2、一个能量输入耦合器3、一个能量输出耦合器4，一个收集极5，其中阴极能够产生两个异速圆形电子注，与经过环形器6进入到能量输入耦合器3的信号，在慢波结构2中进行注波互作用，并通过电子注与电磁波的互作用构造前向波-返波的正反馈回路，如图2所示，产生两个太赫兹辐射信号，最后前向波从能量输出耦合器中输出，返波从能量输入耦合器中经由环形器输出。

下面结合附图对各部分进行详细的描述。

本实施例是基于双通道折叠波导慢波结构来构造前向波-返波太赫兹辐射源(如图1)，使用无氧铜为该慢波结构的材料，共使用80个周期的慢波结构，双通道折叠波导慢波结构的结构图如图3所示，其具体的尺寸如下：折叠波导的宽边a＝1.3，折叠波导的窄边b＝0.2，折叠波导的周期p＝0.39，折叠波导中直波导的高度h＝0.36，电子注通道半径r＝0.12，电子注通道之间的距离s＝a/3(单位mm)。其中各个尺寸在图3中有详细的标注。

双通道折叠波导慢波结构中的注波互作用原理为：行波与返波工作于同一频点，第一电子注的电压与行波同步，第二电子注电压与返波同步；行波与第一电子注相互作用,得到的沿第一电子注正向放大的行波作为返波的输入；所述返波与第二电子注相互作用，得到的沿第二电子注反向放大的返波作用到第一电子注中的行波，直至注波互作用功率饱和。

在本实施例中能量输入耦合器由两部分构成：使用WR-7标准矩形波导作为电磁信号输入输出的端口与环形器相连，标准矩形波导的另一端通过尺寸线性变化的矩形波导与折叠波导慢波结构的直波导相连。在本实施例中渐变段的长度为h1＝2mm，标准矩形波导的长度为h1＝0.2mm，其材料为无氧铜。

在本实施例中能量输出耦合器与能量输入耦合器尺寸相同，分为两个部分，WR-7标准矩形波导作为电磁信号输出端口，标准波导的另外一端通过长度和宽度线性变化的矩形波导与折叠波导的直波导相连，其材料为无氧铜。

在本实施例中为了验证折叠波导慢波结构是否能够满足本发明所需放大器色散条件，本实施例利用电磁仿真软件MTSS计算该慢波结构的高频特性，得到一组适用于该放大器的色散特性曲线，满足在构造前向波-返波反馈式回路对放大器色散曲线的假设。从图4中可以看出，在两个电子注电压的作用下，前向波和返波在同一频点处(即图4中的140GHz处)能够与电子注发生同步作用。

通过使用电磁仿真软件CST-MWS对上述期间的传输特性进行仿真，获得两个端口的驻波比，如图5所示，可以看到120GHz-190GHz的频率范围内，信号端口的驻波比为1.5 以下，说明整个电磁系统具有良好的射频传输特性。

在完成上述电磁系统的基本几何参数的优化设计之后，经过在CST粒子模拟工作室的 PIC求解器中进行非线性注-波互作用模拟，从而预测该电磁系统的工作能力。使用两个不同的电子注进行注波互作用，本实施例中进行注波互作用的两个电子注的参数为：电子注 1的电压为15750V，电流为0.012A，电子注2的电压为5700V电流为0.025A，可以在两个方向上分别获得2.3W和1.96W的输出信号，如图6所示。两个输出信号的工作频点均为140GHz，从图7所示的输出信号频谱图上来看，频谱非常纯净。图8中显示了本发明中沿着互作用回路的输出功率分布图，从图中可以看到本发明实现了输出信号在两个端口的稳定输出，在慢波电路中建立了基于注波互作用的前向波-返波反馈回路，有效的实现了工作在同一频点的前向波和返波信号输出，能够解决相干检测中对本振信号的缺乏以及相干信号之间的频差对检测灵敏度的影响。通过调谐电子注2的工作电压，使其在

136GHz-143GHz范围内实现均拥有W级能量输出，如图9所示电子注2在5200V至6200V 的范围内，两个输出信号的工作频点范围为136GHz-143GHz。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，其特征在于，包括：阴极、慢波结构、能量输入耦合器、能量输出耦合器、环形器以及收集极；能量输出耦合器与能量输入耦合器尺寸相同，分为两个部分，WR-7标准矩形波导作为电磁信号输出端口，标准波导的另外一端通过长度和宽度线性变化的矩形波导与折叠波导的直波导相连，其材料为无氧铜；

电磁信号经环形器进入能量输入耦合器；环形器与能量输入耦合器的输入端相连，能量输入耦合器的输出端接慢波结构的第一端，慢波结构的第二端接能量输出耦合器的输入端；

阴极用于产生多个圆形异速的电子注；所述阴极产生的多个圆形异速的电子注从慢波结构第一端输入；

慢波结构为具备前向波-返波反馈回路的任意周期性的慢波结构；

收集极用于回收经慢波结构第二端输出的电子注；

所述电磁信号在慢波结构中经该多个电子注调谐，同时产生工作在同一个频点的两个太赫兹辐射信号；两个太赫兹辐射信号中前向波从能量输出耦合器的输出端输出，两个太赫兹辐射信号中返波从能量输入耦合器中经由环形器输出。

2.根据权利要求1所述的一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，其特征在于，所述能量输入耦合器包括：第一矩形波导与第二矩形波导，所述第一矩形波导第一端与环形器相连，第一矩形波导的第二端与第二矩形波导第一端相连，第二矩形波导第二端与慢波结构第一端相连。

3.根据权利要求2所述的一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，其特征在于，所述能量输出耦合器包括：第三矩形波导与第四矩形波导，所述第三矩形波导第一端作为电磁信号的输出端口，第三矩形波导的第二端与第四矩形波导第一端相连，第四矩形波导第二端与慢波结构第二端相连。

4.根据权利要求3所述的一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，其特征在于，所述第一矩形波导与第三矩形波导均为标准矩形波导。

5.根据权利要求4所述的一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，其特征在于，所述第二矩形波导与第四矩形波导均为长度和宽度线性变化的矩形波导。

6.根据权利要求5所述的一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，其特征在于，所述能量输入耦合器与能量输出耦合器的材料均为无氧铜。

7.根据权利要求6所述的一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，其特征在于，所述慢波结构为双通道折叠波导慢波结构。

8.根据权利要求6或7所述的一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，其特征在于，所述慢波结构的材料为无氧铜。

9.根据权利要求8所述的一种折叠波导前向波-返波反馈式太赫兹辐射源，其特征在于，所述两个输出信号为瓦量级。

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