CN110310874A - 级联倍频返波振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子技术领域，公开了一种级联倍频返波振荡器。该振荡器包括电子枪、收集极、基波结构、n次谐波结构和电子注通道，电子枪用于发出带状电子注；基波结构和n次谐波结构在电子枪和收集极之间级联，电子注通道贯穿基波结构和n次谐波结构设置，以使电子枪发出的带状电子注依次进入前级的基波结构和后级的n次谐波结构，带状电子注与基波结构的返波同步，基波结构通过带状电子注与返波的相互作用产生基波电磁振荡和谐波电流，与基波结构级联的n次谐波结构与经过基波结构的电子注中对应的谐波电流相互作用，产生相应的谐波振荡。由此，可以实现一种结构简单紧凑、易于加工、可调谐且输出功率足够的级联倍频返波振荡器。

Description

级联倍频返波振荡器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种级联倍频返波振荡器。
背景技术
返波振荡器是一类经典的线性注真空电子器件，它利用慢波结构上传播的返波与电子注的相互作用实现自激电磁振荡。作为一种工作于室温、结构紧凑、能够快速宽频带电子调谐且有足够连续波功率输出的THz辐射源，返波振荡器在THz成像、波谱分析、低背景噪声射电天文观测和星际大气层遥感等领域发挥着重要作用。返波振荡器是目前工作频率最高的真空电子器件。早在20世纪中后期，前苏联的ISTOK就已经成功研制出频率覆盖至1.4THz的OB系列商用返波振荡器，但其输出功率和效率很低，磁聚焦系统很大。近年来，国内外纷纷开展THz返波振荡器的研发，热点集中于“大气窗口”附近，重点则放在提高输出功率和电子效率上。在THz波段，尺寸共渡效应进一步限制了器件输出功率，基于圆形电子注和传统的慢波结构已不能产生出能满足大量工程应用需求的振荡电磁波输出。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种级联倍频返波振荡器，能够解决上述现有技术中的问题。
本发明的技术解决方案：一种级联倍频返波振荡器，该级联倍频返波振荡器包括电子枪、收集极、基波结构、n次谐波结构和电子注通道，其中，
所述电子枪用于发出带状电子注；
所述基波结构和所述n次谐波结构在所述电子枪和所述收集极之间级联，所述电子注通道贯穿所述基波结构和所述n次谐波结构设置，以使所述电子枪发出的带状电子注依次进入前级的基波结构和后级的n次谐波结构，所述带状电子注与所述基波结构的返波同步，所述基波结构通过所述带状电子注与所述返波的相互作用产生基波电磁振荡和谐波电流，与所述基波结构级联的所述n次谐波结构与经过所述基波结构的电子注中对应的谐波电流相互作用，产生相应的谐波振荡。
优选地，所述基波结构和所述n次谐波结构均包括平面格栅慢波结构和输出耦合结构。
优选地，所述平面格栅慢波结构是以下中任意一种：单面栅、对称双栅、交错双栅。
优选地，所述基波结构的几何尺寸大于所述n次谐波结构的几何尺寸。
优选地，所述n次谐波结构的几何尺寸为所述基波结构的几何尺寸的1/n。
优选地，所述电子注通道具有矩形截面。
优选地，所述矩形截面的宽度A大于电子注宽度W，所述矩形截面的高度B大于电子注高度H。
优选地，所述矩形截面的宽度A≤1/2aM，其中aM为所述n次谐波结构中的最小栅宽度。
优选地，所述电子枪包括阴极、聚焦极和阳极。
优选地，所述级联倍频返波振荡器设置在真空状态下的密封金属陶瓷封接的管壳中。
通过上述技术方案，可以在能够发出带状电子注的电子枪和收集极之间设置级联的基波结构和n次谐波结构，并贯穿所述基波结构和所述n次谐波结构设置电子注通道，以使所述电子枪发出的带状电子注依次进入前级的基波结构和后级的谐波结构。由此，可以利用电子注中的谐波分量，实现一种结构简单紧凑、易于加工、可调谐且输出功率足够的级联倍频返波振荡器。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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一种级联倍频返波振荡器的结构示意图；
图2为本发明实施例中的平面格栅结构示意图；以及
图3为本发明实施例提供的一种级联倍频返波振荡器的工作示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
图1为本发明实施例提供的一种级联倍频返波振荡器的结构示意图。
如图1所示，本发明实施例提供的一种级联倍频返波振荡器可以包括电子枪10、收集极12、基波结构14、n次谐波结构16和电子注通道18，其中，
所述电子枪10用于发出带状电子注；
所述基波结构14和所述n次谐波结构16在所述电子枪10和所述收集极12之间级联，所述电子注通道18贯穿所述基波结构14和所述n次谐波结构16设置，以使所述电子枪10发出的带状电子注依次进入前级的基波结构14和后级的n次谐波结构16，所述带状电子注与所述基波结构14的返波同步，所述基波结构14通过所述带状电子注与所述返波的相互作用产生基波电磁振荡和谐波电流，与所述基波结构14级联的所述n次谐波结构16与经过所述基波结构14的电子注(即，携带基波结构产生的谐波电流)中对应的谐波电流相互作用，产生相应的谐波振荡。
通过上述技术方案，可以在能够发出带状电子注的电子枪和收集极之间设置级联的基波结构和n次谐波结构，并贯穿所述基波结构和所述n次谐波结构设置电子注通道，以使所述电子枪发出的带状电子注依次进入前级的基波结构和后级的谐波结构。由此，可以利用电子注中的谐波分量，实现一种结构简单紧凑、易于加工、可调谐且输出功率足够的级联倍频返波振荡器。
其中，本发明所述的级联倍频返波振荡器例如可以包括一个所述基波结构14和至少一个所述n次谐波结构16。
举例来讲，n次谐波结构16的数量M可以为3，谐波次数n的取值可以不大于9。
根据本发明一种实施例，所述基波结构14和所述n次谐波结构16均可以包括平面格栅慢波结构和输出耦合结构。
其中，各级谐波输出耦合结构可通过过渡波导连接相应标准矩形波导输出振荡电磁波，若无需输出该级振荡电磁波，为避免电磁干扰，谐波输出耦合结构连接衰减器。
基于平面格栅和带状电子注可以实现THz返波振荡器功率的提升，或者是保持相同量级输出功率时，降低电子注电流密度，从而可以降低阴极发射电流密度和聚焦磁场强度。
图2为本发明实施例中的平面格栅结构示意图。
根据本发明一种实施例，所述平面格栅慢波结构可以是以下中任意一种：单面栅、对称双栅、交错双栅。
其中，图2中的(a)为单面栅，(b)为对称双栅，(c)为交错双栅。
根据本发明一种实施例，所述基波结构14的几何尺寸大于所述n次谐波结构16的几何尺寸。
举例来讲，所述n次谐波结构16的几何尺寸可以为所述基波结构14的几何尺寸的1/n。即，谐波结构与基波结构的几何尺寸成倍数关系。
根据本发明一种实施例，所述电子注通道18可以具有矩形截面。
由此，有利于带状电子注通过。
其中，所述电子注通道18的矩形截面的宽度A可以大于电子注宽度W，所述矩形截面的高度B可以大于电子注高度H。
根据本发明一种实施例，所述矩形截面的宽度A≤1/2aM，其中aM为所述n次谐波结构中的最小栅宽度。
根据本发明一种实施例，所述电子枪可以包括阴极、聚焦极和阳极。
根据本发明一种实施例，所述级联倍频返波振荡器设置在真空状态下的密封金属陶瓷封接的管壳中。
由此，可以实现级联倍频返波振荡器的真空保护。
此外，所述级联倍频返波振荡器还可以包括磁聚焦系统。
举例来讲，在本发明中，所述的级联倍频返波振荡器结合带状电子注，通过多级注波(电子注和返波)互作用及电子注电压的调节，可以产生(1+M)种可调谐返波振荡信号。第一个基波结构的返波与电子注同步，通过注波互作用产生基波电磁振荡和谐波电流。后级级联谐波结构与电子注中对应的谐波电流互作用，产生相应谐波振荡。级联结构之间可以通过电子注通道的一部分进行隔离(参见图3)。
更进一步地，电子注可以为与返波同步，电子运动方向同波的相速方向相同，而与波的群速(能速)方向相反。由此，在管内就存在一种能量反馈通道，一方面载有交变信号能量的电子注向前运动，与返波互作用，将部分能量交给高频场，另一方面高频能量又逆电子注方向传输，形成反馈回路。当每一个反馈回路的总相移都是2π的整数倍时，具有正反馈的性质。反馈量足够大就可产生自激振荡。
举例来讲，上电后，电子枪发射带状电子注，首先进入第一个基波结构，基波结构的返波与电子注同步，通过注波互作用产生基波电磁振荡和谐波电流。
其中，第一个级联结构(第一个基波结构)可以为基波平面格栅慢波结构、基波输出耦合结构，产生基波电磁振荡后，由于返波振荡器的非线性工作，电子注中除了有基波分量外，还含有丰富谐波电流，其数学表达式如下：
在式中，n可以表示谐波次数，系数an可以表示谐波电流所占权重，I0可以为直流分量。
然后，含有丰富谐波电流的电子注通过电子注通道后进入第二段级联谐波结构，谐波结构的谐波次数n例如可以是2，3，4,…。含有谐波电流的电子注会激发出谐波高频场，但只有谐波高频场的返波与电子注同步的，才能产生有效注波互作用，产生对应谐波电磁振荡信号并通过输出耦合结构输出，与第二段级联谐波系统互作用后，电子注中的谐波分量的权重将发生变化，但仍然含有各种谐波分量。含谐波分量的电子注通过电子注通道进入第三个级联的谐波结构，激发出对应的谐波高频场；依此方式电子注穿过所有的谐波结构后达到收集极。
图3为本发明实施例提供的一种级联倍频返波振荡器的工作示意图。
在图3中，以1个基波结构和1个3次谐波结构级联、采用的平面格栅为单面栅的实例为例。其中，3次谐波结构的几何尺寸为基波谐波结构的几何尺寸的1/3。
此外，图3中的X表示电子注通道中能够将基波结构和3次谐波结构隔离开的部分。只要电子注通道的矩形截面的宽度满足A≤1/2aM(宽度A能够保证对联接的前后两段慢波结构的电磁波截止)，就可以实现对基波结构和3次谐波结构的隔离作用。
本领域技术人员应当理解，图3所示的内容仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
为了简洁的目的，本发明省略了图3所示的实例的相应描述，具体可以参见上述实施例中关于级联倍频返波振荡器工作过程的描述。
从上述实施例可以看出，本发明具有的有益效果如下：
本发明采用倍频方式，可以将返波振荡器的工作频率往更高频段延伸，产生亚毫米、THz电磁波振荡，用于雷达、通信、射电天文学、THz成像等领域；
本发明采用真空电子技术，与固态器件相比，其可产生的输出功率更加可观；
本发明采用级联谐波结构形式，仅采用一套电子枪、收集极、磁聚焦系统，可按需产生可调谐倍频电磁波振荡输出；
本发明所采用的平面格栅慢波结构，具有结构简单紧凑，易于加工的特点，适合采用二维精加工技术如LIGA、DRIE、Nano-CNC等加工，成品率有保证，尤其在太赫兹波频段具有良好的应用潜力；
本发明采用平面格栅结构与带状电子注相结合，相较于传统圆形注，能够实现THz返波振荡器功率的提升，或者是保持相同量级输出功率时，降低电子注电流密度，从而降低阴极发射电流密度和聚焦磁场强度。
如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种级联倍频返波振荡器，其特征在于，该级联倍频返波振荡器包括电子枪、收集极、基波结构、n次谐波结构和电子注通道，其中，
所述电子枪用于发出带状电子注；
所述基波结构和所述n次谐波结构在所述电子枪和所述收集极之间级联，所述电子注通道贯穿所述基波结构和所述n次谐波结构设置，以使所述电子枪发出的带状电子注依次进入前级的基波结构和后级的n次谐波结构，所述带状电子注与所述基波结构的返波同步，所述基波结构通过所述带状电子注与所述返波的相互作用产生基波电磁振荡和谐波电流，与所述基波结构级联的所述n次谐波结构与经过所述基波结构的电子注中对应的谐波电流相互作用，产生相应的谐波振荡。
2.根据权利要求1所述的级联倍频返波振荡器，其特征在于，所述基波结构和所述n次谐波结构均包括平面格栅慢波结构和输出耦合结构。
3.根据权利要求2所述的级联倍频返波振荡器，其特征在于，所述平面格栅慢波结构是以下中任意一种：单面栅、对称双栅、交错双栅。
4.根据权利要求1所述的级联倍频返波振荡器，其特征在于，所述基波结构的几何尺寸大于所述n次谐波结构的几何尺寸。
5.根据权利要求4所述的级联倍频返波振荡器，其特征在于，所述n次谐波结构的几何尺寸为所述基波结构的几何尺寸的1/n。
6.根据权利要求1所述的级联倍频返波振荡器，其特征在于，所述电子注通道具有矩形截面。
7.根据权利要求6所述的级联倍频返波振荡器，其特征在于，所述矩形截面的宽度A大于电子注宽度W，所述矩形截面的高度B大于电子注高度H。
8.根据权利要求7所述的级联倍频返波振荡器，其特征在于，所述矩形截面的宽度A≤1/2aM，其中aM为所述n次谐波结构中的最小栅宽度。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的级联倍频返波振荡器，其特征在于，所述电子枪包括阴极、聚焦极和阳极。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的级联倍频返波振荡器，其特征在于，所述级联倍频返波振荡器设置在真空状态下的密封金属陶瓷封接的管壳中。
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