CN110993468B - 一种双模折叠波导振荡器及其设计方法 - Google Patents

一种双模折叠波导振荡器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双模折叠波导振荡器及其设计方法，该方法包括：S1、根据振荡器目标工作电压和目标振荡频率，初步设定振荡器的折叠波导慢波结构的结构尺寸；S2、利用本征模拟，计算振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线；S3、优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得所述振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率；S4、基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，则重复S2‑S4；S5、优化所述折叠波导慢波结构的互作用长度，直至达到振荡器目标振荡功率。

Description

一种双模折叠波导振荡器及其设计方法
技术领域
本发明属于真空电子技术领域，具体涉及到一种前向波和返波双模工作振荡器及其设计方法。
背景技术
目前，随着太赫兹(300GHz-3000GHz)科学技术的发展及其相关应用领域的开拓，对大功率太赫兹辐射源的需求日益增加。在真空电子器件中，振荡器是实用化程度很高的一种太赫兹辐射源，其包括返波管(BWO)、斜注管(Clinotron)、奥罗管(Orotron)等多种不同的振荡器，由图1示出的上述三种振荡器的工作频率与输出功率的关系可以看出，上述三种不同类型的振荡器在太赫兹频段工作时，最大输出功率分别仅为小于0.1W。
因此，需要提供一种工作在太赫兹频段时能够输出大功率信号的振荡器以及振荡器的设计方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种双模折叠波导振荡器的设计方法，该方法包括：
S1、根据振荡器目标工作电压和目标振荡频率，初步设定振荡器的折叠波导慢波结构的结构尺寸；
S2、利用本征模拟，计算振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线；
S3、优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得所述频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率；
S4、基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，则重复S2-S4；
S5、优化所述折叠波导慢波结构的互作用长度，直至达到振荡器目标振荡功率。
优选地，所述方法还包括：将模拟得到的最佳同步电压确定为该振荡器的工作电压。
优选地，所述振荡器还包括电子枪，聚焦系统，收集极以及第一输能结构和第二输能结构。
优选地，所述优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸进一步包括：按照折叠波导慢波结构的矩形波导的宽边长、几何周期、直波导长度、矩形波导的窄边长、和电子注通道半径的顺序对结构尺寸进行优化。
优选地，所述振荡器位于电子枪侧的第一输能结构输出返波振荡信号，远离电子枪侧的第二输能结构输出前向波振荡信号。
优选地，所述前向波振荡信号和返波振荡信号具有相同的振荡频率。
优选地，所述振荡器的目标振荡频率为300GHz-3000GHz。
根据本发明的另一方面，提供一种双模折叠波导振荡器，该振荡器包括电子枪，折叠波导慢波结构，聚焦系统，收集极，以及第一输能结构和第二输能结构，位于电子枪侧的第一输能结构输出返波振荡信号，远离电子枪侧的第二输能结构输出前向波振荡信号，其中所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得该振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率。
优选地，所述振荡器的目标振荡频率为300GHz-3000GHz。
优选地，所述振荡器的输出功率大于1W。
本发明的有益效果如下：
本发明通过对振荡器的折叠波导慢波结构的尺寸进行设计，使得该振荡器的频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标频率，可实现大于具有前向波和返波双模工作的大功率输出振荡器。根据本发明设计得到的双模折叠波导振荡器，在相同的工作电压下，可以实现更大的功率输出，同时满足大功率和带宽的需求；在相同的功率输出下，具有更小的器件尺寸，满足大功率小型化太赫兹辐射源应用需求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出现有技术中振荡器的工作频率与输出功率的关系图；
图2示出本发明实施例提供的慢波结构示意图：
图3示出本发明实施例提供的频率与几何周期相移的关系曲线图；
图4A示出本发明实施例提供的折叠波导慢波结构在相移为4π处的止带上边缘电场分布；
图4B示出本发明实施例提供的折叠波导慢波结构在相移为4π处的止带下边缘电场分布；
图5示出本发明实施例提供的折叠波导慢波结构在相移为4π时止带上边缘附近的轴向耦合阻抗；
图6示出本发明实施例提供的双模折叠波导振荡器示意图；
图7示出本发明实施例提供的双模折叠波导振荡器工作在几何周期相移为4π的上截止频率边缘的振荡功率图；
图8示出本发明实施例提供的双模折叠波导振荡器工作在几何周期相移为4π的上截止频率边缘的振荡频率图；
附图标记：电子枪1；电子注11；折叠波导慢波结构2；聚焦系统3；收集极4；第一输能结构Port1；第二输能结构Port2。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的实施方式公开了一种前向波和返波双模折叠波导振荡器的设计方法，该方法包括：
根据振荡器目标工作电压和频率，初步设定振荡器折叠波导慢波结构的结构尺寸，如图2所示，包括矩形波导的宽边长和窄边长，几何周期，直波导长度和电子注通道半径；
利用本征模拟，计算振荡器振荡频率与几何周期相移的关系曲线；
优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得所述振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标频率。优选地，按照折叠波导慢波结构的矩形波导的宽边长、几何周期、直波导长度、矩形波导的窄边长、和电子注通道半径的顺序对结构尺寸进行优化，以提高优化效率；
基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，重复上述步骤，其中同步电压是进行注波互作用模拟后同时与前向波和返波两个工作模式进行互作用的直流电子注电压，进一步最佳同步电压是分别利用前向波和返波两个工作模式进行互作用并获得最大功率时对应的同步电压。优选地，将模拟得到的最佳同步电压确定为该振荡器的工作电压，以使得该振荡器在此时工作效能达到最佳状态；
优化所述折叠波导慢波结构的互作用长度，即折叠波导慢波结构中几何周期的数目×2p，直至达到振荡器目标振荡功率。
本发明的另一个实施方式公开了一种利用上述设计方法实现的双模折叠波导振荡器，
如图6所示，该振荡器包括电子枪1，折叠波导慢波结构2，聚焦系统3，收集极4，以及第一输能结构Port1和第二输能结构Port2，
位于电子枪侧的第一输能结构Port1输出返波振荡信号，远离电子枪侧的第二输能结构Port2输出前向波振荡信号，
其中所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得该振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率。优选地，该振荡器的目标振荡频率为300GHz-3000GHz。优选地，振荡器的输出功率大于1W。下面以振荡器目标设计参数；稳定工作电压20-23kV，振荡频率300GHz，输出振荡功率大于1W为具体示例对本发明的设计方法进行说明：
第一步，根据振荡器目标工作电压和频率，初步设定折叠波导慢波结构的结构尺寸。
如图2所示的慢波结构中，将矩形波导沿电场面弯曲，组成一系列直波导和弯曲波导的周期结构，圆柱型电子注通道贯穿直波导阵列，其中，a表示矩形波导的宽边长，b为波导的窄边长，几何周期为2p，直波导长度为h，电子注通道半径为rc。
以振荡器的稳定工作时电压为20-23kV，振荡频率300GHz，输出振荡功率大于1W为振荡器的设计目标，将折叠波导慢波结构的结构尺寸初始设定为a＝0.86，b＝0.16，p＝0.3，h＝0.27，rc＝0.12，单位：mm。
第二步，利用本征模拟，计算振荡频率与几何周期相移的关系曲线；
图3示出了利用CST公司的粒子工作室三维电磁软件，基于上述初始结构尺寸进行本征模拟后生成的频率与几何周期相移的关系曲线，即折叠波导慢波结构的布里渊色散曲线。如图3所示，图中示出了折叠波导慢波结构的止带S、止带上截止频率fu、止带下截止频率fl、前向波工作区域F以及返波工作区域B。
第三步，优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得慢波结构振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标频率；
图4A示出了本实施例提供的折叠波导慢波结构在相移为4π处的止带上边缘电场分布；图4B示出了本实施例提供的折叠波导慢波结构在相移为4π处的止带下边缘电场分布。由图4A和图4B可知，与止带下边缘处相比，止带上边缘处与电子发生互作用区域的轴向电场较大，因此设计振荡器工作区位于上截止频率fu边缘附近，可使振荡器处于较好的工作状态。
基于图3中示出的频率与几何周期相移的关系可知，在几何周期相移为4π时，对应的止带上截止频率fu为280GHz。此时为了实现几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于300GHz，应对慢波结构的初始结构尺寸优化。
当基于优化后的折叠波导慢波结构生成频率与几何周期相移的关系曲线中，几何周期相移为4π时，对应的止带上截止频率fu大于等于300GHz目标频率时，即认为该优化后的折叠波导慢波结构尺寸满足设计需要，可进行后续设计。
基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，重复上述优化步骤。当同步电压值并不在设计目标的工作电压范围内时，则说明此结构尺寸下的振荡器不符合设计要求，需要重新进行折叠波导慢波结构的优化与校验，直至达到满足的设计目标时停止。
确定优化的结构尺寸后，利用三维电磁软件进行注波互作用模拟，图5示出了注波互作用模拟后，折叠波导慢波结构的前向波模式工作的相移为3.9π～4π对应的止带时，前向波的耦合阻抗在4π趋近无穷大的情况；图5还示出了折叠波导慢波结构的返波模式工作的相移为4π～4.1π对应的止带时，返波的耦合阻抗同样在4π趋近无穷大。因此，由图5可知，折叠波导慢波结构在相移为4π止带附近较大的耦合阻抗表明前向波与返波均可以与电子注在轴向产生强烈的互作用，也就是利用该设计方法设计出的振荡器可在前向波和返波两种工作模式下同时进行工作。
随后，优化折叠波导慢波结构的互作用长度，直至达到振荡器目标振荡功率。优化后的折叠波导慢波结构的结构尺寸为a＝0.78，b＝0.16，p＝0.3，h＝0.24，rc＝0.12，优化后的折叠波导慢波结构的互作用长度为35×2p，单位：mm。
再次利用三维软件进行注波互作用模拟，此次注波互作用模拟的是为了优化慢波结构的互作用长度，直至达到设计目标中振荡功率要求，完成设计。通过尺寸的设计和互作用长度的优化使波导弯曲、电子注通道造成的多点周期反射作为有益的内在反射以实现增大振荡功率的效果。
至此，通过该设计方法得到的双模振荡器在相同的工作电压下，可以实现更大的功率输出的同时，还可进行前向波和返波的双模工作形式。
图6示出了根据本发明的工作在折叠波导慢波结构4π上截止频率边缘的双模振荡器结构及原理示意图。本发明的折叠波导振荡器包括电子枪1，如上所述的折叠波导慢波结构2，聚焦系统3，收集极4以及第一输能结构Port1和第二输能结构Port2。第一输能结构Port1位于电子枪1侧，输出与返波同步的振荡信号；第二输能结构Port2远离电子枪侧，输出与前向波同步的振荡信号。前向波振荡信号和返波振荡信号具有相同的振荡频率。
如图6所示，实线箭头代表的电磁波传输方向为电子注与上截止频率边缘中前向波同步的情况，虚线箭头代表的电磁波传输方向为电子注与上截止频率边缘中返波同步的情况。通过如上所述的尺寸设计和几何周期数目优化方法，使波导弯曲、电子注通道造成的多点周期反射作为有益的内在反射增大振荡功率，得到符合设计要求的振荡器。
图7示出了利用CST公司的粒子工作室软件仿真得到的本发明实施例的双模振荡器的振荡功率图，该双模振荡器工作在折叠波导慢波结构几何周期相移为4π的上截止频率边缘。图7中可以明显看出，在同步电压21.8-22.8kV范围内，相同电压下该双模振荡器在前向波和返波两种工作模式下均有振荡功率输出。在21.8kV下，Port2(前向波输出)最大振荡功率达到4.5W；在22.8kV下，Port1(返波输出)最大振荡功率达到7.7W，满足设计目标器件稳定工作时电压为20-23kV，输出振荡功率大于1W。并且与图1所示的现有技术中的三种振荡器在太赫兹频段时，最大输出振荡功率仅为0.1W相比，本申请实施例设计得到的双模振荡器输出功率大于1W，较当前研究水平提升不止10倍。
图8示出了利用CST公司的粒子工作室软件仿真得到的本实施例的双模振荡器的振荡频率图，该双模振荡器工作在折叠波导慢波结构几何周期相移为4π的上截止频率边缘。在同步电压21.8-22.8kV范围内，相同电压下该双模振荡器的两种工作模式输出振荡频率相同，振荡频率范围在300.32-302.1GHz，满足设计目标振荡频率大于300GHz。
综上，根据本发明设计得到的双模振荡器，在相同的工作电压下，可以实现更大的功率输出；与常规带边振荡器(点频工作)相比，本发明设计得到的双模振荡器具有约2GHz带宽，同时满足大功率和带宽需求；在相同的功率输出下，具有更小的器件尺寸。因此，根据本发明设计得到双模折叠波导振荡器具有更稳定的功率输出和更小的器件尺寸，满足大功率小型化太赫兹辐射源应用需求。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种双模折叠波导振荡器，其特征在于，该振荡器包括电子枪，折叠波导慢波结构，聚焦系统，收集极，以及第一输能结构和第二输能结构，
所述电子枪输出的电子注通道为贯穿所述折叠波导慢波结构的单电子注通道，
位于电子枪侧的第一输能结构输出返波振荡信号，远离电子枪侧的第二输能结构输出前向波振荡信号，
其中所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得该振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率。
2.根据权利要求1所述的双模折叠波导振荡器，其特征在于，所述振荡器的目标振荡频率为300GHz-3000GHz。
3.根据权利要求2所述的双模折叠波导振荡器，其特征在于，所述振荡器的输出功率大于1W。
4.一种设计权利要求1~3中任一项所述双模折叠波导振荡器的设计方法，其特征在于，包括：
S1、根据振荡器目标工作电压和目标振荡频率，初步设定振荡器的折叠波导慢波结构的结构尺寸；
S2、利用本征模拟，计算振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线；
S3、优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得所述振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率；
S4、基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，则重复S2- S4；
S5、优化所述折叠波导慢波结构的互作用长度，直至达到振荡器目标振荡功率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将模拟得到的最佳同步电压确定为该振荡器的工作电压。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸进一步包括：按照折叠波导慢波结构的矩形波导的宽边长、几何周期、直波导长度、矩形波导的窄边长、和电子注通道半径的顺序对结构尺寸进行优化。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述前向波振荡信号和返波振荡信号具有相同的振荡频率。
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