CN111640637B - 一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管，包括参考电极和反射电极，其中，参考电极由同轴谐振腔、过渡波导和输出波导组成；电子注通过电子注通道注入同轴谐振腔，随后漂移至漂移头间的间隙内，并被间隙内的太赫兹高频场进行调制，被调制后的电子在漂移管和反射区内实现漂移群聚，然后再次返回到间隙内，群聚后的电子在间隙内与高频场相互作用，将动能转化为间隙内的电磁能，并储存在同轴谐振腔内，最后通过耦合孔、过渡波导和输出波导输出外部空间。

Description

一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管
技术领域
本发明属于反射速调管真空电子器件技术领域，更为具体地讲，涉及一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管。
背景技术
速调管作为一类重要的真空电子器件，具有高功率、高效率等优点，在通信、国防等领域有着重要作用。作为速调管的一种，反射速调管通常应用于微波振荡源，反射速调管具有低电压、体积小、重量轻、结构简单、易于加工等优点。
然而，现有的反射速调管在太赫兹波段工作时尺寸过小，并且输出功率过低，其具体原因为：第一，传统的圆柱型谐振腔在太赫兹频段变得非常小，因此给反射速调管腔体的加工带来了很大困难，然而在相同谐振频率下，同轴谐振腔的尺寸比圆柱谐振腔大得多，因此利用同轴谐振腔代替圆柱谐振腔可以降低反射速调管加工难度并增大腔体功率容量，第二，由于空间电荷效应，传统的单注反射速调管的阴极发射电流密度受到限制，这直接制约了速调管的输出功率，应用多个电子注可以显著提高反射速调管直流功率并提高输出功率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管，用于解决工作在太赫兹频段的反射速调管尺寸过小和输出功率过低的问题。
为实现上述发明目的，本发明一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管，其特征在于，包括：参考电极和反射电极；
所述参考电极包括同轴谐振腔、过渡波导和输出波导；
其中，同轴谐振腔为圆柱形真空腔，同轴谐振腔内半径为a1、外半径为a2、腔高为d1、横向壁厚为t1、纵向壁厚为t2；在同轴谐振腔内设置12组漂移头，漂移头均匀分布在半径R＝0.5*(a1+a2)的圆上，圆心与同轴腔轴线重合，相对的两个漂移头之间为谐振腔间隙，谐振腔间隙的宽度为h；漂移头上安置有圆柱形漂移管，位置与漂移头的轴线重合，漂移管的长度与同轴谐振腔的高度相等，从而贯穿整个同轴谐振腔；其中，将同轴谐振腔、过渡波导和输出波导的同轴线上的漂移管设置为电子注通道，并以此作为起点，将12组漂移管交替分为电子注通道和空漂移管，从而形成多电子注通道；在距离同轴谐振腔与过渡波导连接最近的漂移管处，设置有长度为L1、高度为d2的耦合孔，耦合孔与同轴谐振腔、过渡波导和输出波导的轴线重合，用于连接同轴谐振腔与过渡波导；
过渡波导为矩形波导，其位于耦合孔与输出波导之间；过渡波导尺寸大小为L3×L4×d3，耦合孔与过渡波导边界线距离同轴谐振腔轴线为L2，其作用类似于1/4波长变换器，用于匹配耦合孔与输出波导阻抗，从而减少电磁波直接由耦合孔耦合至输出波导时引起的反射；
输出波导为WR-2.8标准矩形波导，用于将电磁波通过输出波导上的输出端口输出至外部空间；
所述反射电极由金属圆柱体与金属长方体组合而成，其中，金属圆柱体半径与同轴谐振腔半径相等，均为a2+t1，金属长方体的横向、纵向尺寸与过渡波导的横向、纵向尺寸相等，均为L3×L4；反射电极位于参考电极的正上方，参考电极与反射电极之间保留d5的高度，其中真空区域作为电子注漂移的反射区。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管，包括参考电极和反射电极，其中，参考电极由同轴谐振腔、过渡波导和输出波导组成；电子注通过电子注通道注入同轴谐振腔，随后漂移至漂移头间的间隙内，并被间隙内的太赫兹高频场进行调制，被调制后的电子在漂移管和反射区内实现漂移群聚，然后再次返回到间隙内，群聚后的电子在间隙内与高频场相互作用，将动能转化为间隙内的电磁能，并储存在同轴谐振腔内，最后通过耦合孔、过渡波导和输出波导输出外部空间。
同时，本发明一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管还具有以下有益效果：
(1)、采用了同轴式谐振腔作为反射速调管的储能腔，在同样的谐振频率下，同轴谐振腔比圆柱形谐振腔有更大的半径，因此同轴谐振腔有更大的体积和功率容量，降低了反射速调管的加工难度并提升了反射速调管输出功率。
(2)、采用了漂移头式电子注通道；与栅网式电子注通道相比，栅网式电子注通道虽然可以使互作用间隙内的高频场接近理想重入式谐振腔间隙，但栅网极小的网格尺寸会使反射速调管的加工和装配带来困难，此外部分电子会被栅网截获，进而导致电子流通率会下降及产生多余的热量；采用漂移头式互作用间隙代替栅网式间隙可以降低反射速调管加工难度并提高电子流通率。
(3)、采用了多个电子注代替单个电子注；采用多个电子注代替单电子注可显著提高总直流电流并显著提高反射速调管输出功率。
附图说明
图1是本发明一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管的结构图；
图2是反射速调管参考电极结构图；
图3是同轴谐振腔的主视图；
图4是同轴谐振腔内部结构的部分截图；
图5是参考电极主视图的部分放大截图；
图6是参考电极内部结构的部分放大截图；
图7是反射电极结构示意图；
图8是反射电极与参考电极相对位置示意图；
图9是反射速调管输出端口的电压幅值随时间变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管的结构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管，包括：参考电极1和反射电极2；参考电极1与反射电极2材料均为金属，电导率为5.8*107S/m。
如图2所示，参考电极1包括同轴谐振腔4、过渡波导5和输出波导6，作为反射速调管的电磁波发生装置。
其中，同轴谐振腔4为圆柱形真空腔，如图3所示，同轴谐振腔4内半径为a1＝0.45mm、外半径为a2＝0.75mm、腔高为d1＝0.19mm、横向壁厚为t1＝0.1mm、纵向壁厚为t2＝0.09mm；在同轴谐振腔4内设置12组漂移头7，漂移头7均匀分布在半径R＝0.6mm的圆上，即相邻两组漂移头7间的角度为30度，圆心与同轴谐振腔4轴线重合；在本实施例中，漂移头为金属空心圆台，金属空心圆台的上底面半径与漂移管半径相等，半径为a3＝0.04mm，下底面位于同轴谐振腔上下表面，半径为a4＝0.1mm；如图4所示，相对的两个漂移头7之间为谐振腔间隙11，间隙宽度为h＝0.03mm；漂移头7上安置有圆柱形漂移管8，漂移管8半径与漂移头7上底面半径相等，漂移管8长度与同轴谐振腔4高度相等，位置与漂移头7的轴线重合，从而使漂移管8贯通整个同轴谐振腔4以使电子注在其中无阻碍传输；其中，将同轴谐振腔4、过渡波导5和输出波导6的同轴线上的漂移管8设置为电子注通道，并以此作为起点，将12组漂移管8交替分为电子注通道和空漂移管，从而形成多电子注通道，在本实施例中，12个漂移管8中，漂移管8A为电子注通道，漂移管8B为空漂移管，相邻两个电子注通道8A之间设置空漂移管8B可以增大同轴谐振腔4的相邻两个模式的频率间隔以降低模式竞争；
如图5、6所示，在距离同轴谐振腔4与过渡波导5连接最近的电子注通道8A处，设置有长度为L1＝0.32mm、高度为d2＝0.03mm的耦合孔9，耦合孔9的大小对同轴谐振腔的外部品质因数有很大影响，耦合孔9过小会导致同轴谐振腔的外部品质因数QL过大进而导致同轴谐振腔4内的电场无法耦合至外部，耦合孔9过大会导致同轴谐振腔的QL过小因此同轴谐振腔4内间隙电场过弱而降低电子注的调制效果，耦合孔9与同轴谐振腔4、过渡波导5和输出波导6的轴线重合，用于连接同轴谐振腔4与过渡波导5；在本实施例中，同轴谐振腔4的材料为金属，是由于金属腔体的内壁为电壁，对外界信号起屏蔽作用，此外，金属材料的损耗相比其他材料更小，这可以使腔体内高频场功率损失降低。
如图5、6所示，过渡波导5为矩形波导，同轴谐振腔4圆心与耦合孔9、过渡波导5交界线的距离为L2＝0.76mm，过渡波导5长度L3＝0.55mm、宽度为L4＝0.3mm、高度为d3＝0.17mm，位于耦合孔9与输出波导6之间，其作用类似于1/4波长变换器，用于匹配耦合孔9与输出波导6的阻抗，从而减少电磁波直接由耦合孔9耦合至输出波导6时引起的反射；
如图5、6所示，输出波导6为WR-2.8标准矩形波导，长度L5＝0.711mm、宽度为L6＝0.5mm、高度为d4＝0.356mm用于将电磁波通过输出波导6上的输出端口10输出至外部空间；
如图7所示，反射电极2由金属圆柱体与金属长方体组合而成，金属圆柱体-长方体的相对位置及大小与同轴谐振腔-过渡波导相同；其中，金属圆柱体半径与同轴谐振腔4半径相等，均为a2+t1，金属长方体的横向、纵向尺寸与过渡波导5的横向、纵向尺寸相等，均为L3×L4；如图8所示，反射电极2位于参考电极1的正上方，参考电极1与反射电极2之间保留d5＝0.4mm的高度，其中真空区域作为电子注漂移的反射区3，若不考虑电子注内部的空间电荷效应引起的发散以及不同电子注之间的库仑力，不同电子注在反射区3受到相同的外部电场力,同一横截面的不同电子注以相同的速度运动，这使得不同电子注激励起的高频振荡叠加增强。
电子注通过电子注通道8A注入同轴谐振腔4，随后漂移至漂移头间的间隙11内，并被间隙11内的太赫兹高频场进行调制，被调制后的电子在漂移管6和反射区3内实现漂移群聚，然后再次返回到间隙内11，群聚后的电子在间隙11内与高频场相互作用，将动能转化为间隙11内的电磁能，并储存在同轴谐振腔4内，最后通过耦合孔9、过渡波导5和输出波导6输出至外部空间。
在本实施例中，当工作电压为2000V，单个电子注电流为5.7mA，参考电压为0V，反射电压为-2225V时，激励起的高频场模式为TM110模，频率为316.29GHz，输出端口的电压幅值随时间的变化关系如图9所示，经换算，输出功率为777.5mW，电子效率为：输出功率/电子束直流功率＝777.5/(2000*5.7*6)*100％＝1.14％。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种多注太赫兹同轴谐振腔反射速调管，其特征在于，包括：参考电极和反射电极；
所述参考电极包括同轴谐振腔、过渡波导和输出波导；
其中，同轴谐振腔为圆柱形真空腔，同轴谐振腔内半径为a1、外半径为a2、腔高为d1、横向壁厚为t1、纵向壁厚为t2；在同轴谐振腔内设置12组漂移头，漂移头均匀分布在半径R＝0.5*(a1+a2)的圆上，圆心与同轴腔轴线重合，相对的两个漂移头之间为谐振腔间隙，谐振腔间隙的宽度为h；漂移头上安置有圆柱形漂移管，漂移管安装位置与漂移头的轴线重合，漂移管的长度与同轴谐振腔的高度相等，从而贯穿整个同轴谐振腔；其中，将同轴谐振腔、过渡波导和输出波导的同轴线上的漂移管设置为电子注通道，并以此作为起点，将12组漂移管交替分为电子注通道和空漂移管，从而形成多电子注通道；在距离同轴谐振腔与过渡波导连接最近的漂移管处，设置有长度为L1、高度为d2的耦合孔，耦合孔与同轴谐振腔、过渡波导和输出波导的轴线重合，用于连接同轴谐振腔与过渡波导；
过渡波导为矩形波导，其位于耦合孔与输出波导之间；过渡波导尺寸大小为L3×L4×d3，耦合孔与过渡波导边界线距离同轴谐振腔轴线为L2，其作用类似于1/4波长变换器，用于匹配耦合孔与输出波导阻抗，从而减少电磁波直接由耦合孔耦合至输出波导时引起的反射；
输出波导为WR-2.8标准矩形波导，用于将电磁波通过输出波导上的输出端口输出至外部空间；
所述反射电极由金属圆柱体与金属长方体组合而成，其中，金属圆柱体半径与同轴谐振腔半径相等，均为a2+t1，金属长方体的横向、纵向尺寸与过渡波导的横向、纵向尺寸相等，均为L3×L4；反射电极位于参考电极的正上方，参考电极与反射电极之间保留d5的高度，其中真空区域作为电子注漂移的反射区；
电子注通过电子注通道注入同轴谐振腔，随后漂移至漂移头间的间隙内，并被间隙内的太赫兹高频场进行调制，被调制后的电子在漂移管和反射区内实现漂移群聚，然后再次返回到间隙内，群聚后的电子在间隙内与高频场相互作用，将动能转化为间隙内的电磁能，并储存在同轴谐振腔内，最后通过耦合孔、过渡波导和输出波导输出外部空间；
其中，所述漂移头为金属空心圆台，金属空心圆台的上底面半径与漂移管半径相等，半径为a3，下底面位于同轴谐振腔的上、下表面，下底面半径为a4，a3<a4。
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