CN111785598B - 一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，包括上耦合腔、下耦合腔、电子注通道以及多个不同宽度的间隙，间隙采用长槽间隙和短槽间隙交替分布排列的方式；同步周期根据电子注速度与工作模式相速度的同步关系确定；间隙数量的选择兼顾有效特性阻抗和模式间隔，在满足模式间隔大于设计带宽2倍的前提下，间隙数量取最大值；渐变式间隙宽度通过仿真优化确定，通过分析不同渐变间隙宽度方案的电场分布、模式间隔和有效特性阻抗，确定最佳的渐变间隙宽度。本发明间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，建立了能够避免模式竞争和增加有效特性阻抗的物理模型，实现了对间隙电场的优化以增大注波互作用效率的目的，提高了分布作用速调管的输出功率。

Description

一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔

技术领域

本发明涉及真空电子学技术领域，具体涉及一种多间隙耦合及间隙电场优化的输出谐振腔。

背景技术

太赫兹波具有频带宽、相干性好、易于反隐身、抗干扰性和穿透能力强等优良特性，在高速率数据传输、宽带大容量通信、高分辨率成像、医学检测与诊断等方面具有非常良好的应用特性和技术优势。但是，太赫兹科学技术的发展受制于能够产生大功率和宽频带太赫兹辐射源的匮乏。基于真空电子学开展的分布作用速调管研究工作，是在太赫兹频段产生高功率、宽频带、高效率和高可靠性辐射源的重要技术途径，在星载成像雷达，气象雷达，火控、监视和跟踪雷达，空基和天基高功率损伤和摧毁性武器方面具有重要应用潜力。

由于工作频率与几何尺寸共度性效应的限制，使得太赫兹频段分布作用速调管的特征尺寸急剧减小，导致器件功率容量迅速降低。输出谐振腔是分布作用速调管的核心部件，在输出腔中群聚电子注与间隙电场进行强烈的相互作用，对输出功率有着显著影响。而传统的等间隙宽度输出谐振腔结构存在输出功率不够高的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对传统等间隙宽度的输出谐振腔结构输出功率不够高的缺点，提供一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，它能够改善间隙电场分布特性，使得群聚电子注与间隙电场的相互作用更加充分，该输出谐振腔可以作为分布作用速调管的输出腔结构，提高其输出功率。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，包括上耦合腔、下耦合腔、电子注通道以及多个不同宽度的间隙，其中，间隙采用长槽间隙和短槽间隙交替分布排列的方式；

同步周期根据电子注速度与工作模式相速度的同步关系确定；

间隙数量的选择兼顾有效特性阻抗和模式间隔，在满足模式间隔大于设计带宽2倍的前提下，间隙数量取最大值；

渐变式间隙宽度通过仿真优化确定，通过分析不同渐变间隙宽度方案的电场分布、模式间隔和有效特性阻抗，确定最佳的渐变间隙宽度。

上述方案中，所述同步周期表示各个相邻间隙之间的中心距离，由式(1)确定：

式中，p表示同步周期，v_p表示工作模式相速度，f₀为工作频率，m表示相移参数，其值与所选取的工作模式有关。

上述方案中，为进行有效的注波互作用，工作模式相速度与电子注速度近似相等，亦即v_p≈v_e，电子注速度由式(2)确定：

式中，v_e表示电子注速度，c为光速，U₀为工作电压(单位：kV)。

上述方案中，所述模式间隔定义为工作模式与相邻模式的最小频率差别，用Δf表示，通过仿真可以得到不同模式的频率，计算仿真得到的工作模式的频率与相邻模式频率的差值，即为模式间隔。

上述方案中，所述有效特性阻抗反映了注波互作用能力的强弱，间隙数量越多，有效特性阻抗越大，注波互作用能力越强；定义如式(3)：

式中，(R/Q)·M²表示有效特性阻抗，E_z表示间隙电场，ω表示谐振角频率，W_s表示谐振腔的总储能，β_e表示空间相位波数，j表示虚数单位，z表示横向长度。

上述方案中，仿真优化确定渐变式间隙宽度的具体方法为：首先确定间隙宽度初始值，在间隙宽度初始值的基础上，对间隙宽度进行扫描，以获得较大有效特性阻抗和较大模式间隔，从而得到优化后的渐变式间隙宽度。

上述方案中，间隙宽度初始值由式(4)确定：

式中，d表示间隙宽度，θ_d表示间隙渡越角，v_e表示电子注速度，ω表示谐振角频率。

上述方案中，电子注速度v_e由式(2)确定：

式中，v_e表示电子注速度，c为光速，U₀为工作电压(单位：kV)。

本发明的有益效果在于：

本发明提出了一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，建立了能够避免模式竞争和增加有效特性阻抗的物理模型，实现了对间隙电场的优化以增大注波互作用效率的目的，在一定程度上提高了分布作用速调管的输出功率。

本发明原理简洁明晰，工程实用性强。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔的拓扑结构图；

图2是本发明实施例间隙数目对有效特性阻抗和模式间隔的影响示意图；

图3是本发明实施例输出谐振腔的电场分布示意图；

图4是本发明实施例输出谐振腔的电子注通道中心的横向电场分布曲线；

图5是本发明渐变间隙宽度与传统等间隙宽度的输出功率随工作频率的变化曲线的对比图。

图中：10、上耦合腔；20、下耦合腔；30、电子注通道；40、间隙。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明提供了一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，如图1所示，包括上耦合腔10、下耦合腔20、电子注通道30、多个不同宽度的间隙40，其中间隙采用长槽间隙和短槽间隙交替分布排列的方式，可以起到扩展工作带宽的作用。间隙40是电子注与电场相互作用的场所，因而间隙尺寸对电子注与电磁波的相互作用有着重要影响，间隙尺寸的确定包括几下内容：

(1)确定同步周期。

同步周期表示各个相邻间隙之间的中心距离，根据电子注速度与工作模式相速度的同步关系确定同步周期，可由式(1)确定：

式中，p表示同步周期，v_p表示工作模式相速度，f₀为工作频率，m表示相移参数，其值与所选取的工作模式有关。

为进行有效的注波互作用，工作模式相速度与电子注速度近似相等(即保持同步)，亦即v_p≈v_e。电子注速度由式(2)确定：

式中，v_e表示电子注速度，c为光速，U₀为工作电压(单位：kV)。

(2)确定间隙数量。

多间隙谐振腔因采用多个分布式的间隙结构，从而提高了有效特性阻抗，使得电子注与工作模式的相互作用更加充分。但多间隙谐振腔的众多谐振模式中只有一个模式可以作为工作模式，多间隙结构增加了模式分布的复杂度，增大了工作模式与非工作模式之间的模式竞争风险。通常间隙数越多，有效特性阻抗越大，注波互作用能力越强；但间隙数越多，模式间隔越小，模式竞争风险越大。因此，多间隙谐振腔间隙数的选择要兼顾有效特性阻抗和模式间隔，即，避免模式竞争和增大有效特性阻抗。

模式间隔定义为工作模式与相邻模式的最小频率差别，用Δf表示。通过仿真，可以得到不同模式的频率，计算仿真得到的工作模式的频率与相邻模式频率的差值，即为模式间隔。通常模式间隔要大于设计工作带宽的2倍。

有效特性阻抗反映了注波互作用能力的强弱，定义如式(3)：

式中，(R/Q)·M²表示有效特性阻抗，E_z表示间隙电场，ω表示谐振角频率，W_s表示谐振腔的总储能，β_e表示空间相位波数，j表示虚数单位，z表示横向长度。

(3)确定渐变间隙宽度。

渐变式间隙宽度的方案需要通过仿真优化确定，通过分析不同渐变间隙宽度方案的电场分布、模式间隔和有效特性阻抗，确定最佳的渐变间隙宽度。具体方法为：首先确定间隙宽度初始值，在间隙宽度初始值的基础上，对间隙宽度进行扫描，以获得较大有效特性阻抗和较大模式间隔，从而得到优化后的渐变式间隙宽度，间隙宽度初始值由式(4)确定：

式中，d表示间隙宽度，θ_d表示间隙渡越角，v_e表示电子注速度，ω表示谐振角频率。

本实施例中，工作电压U₀为16.5kV，工作频率f₀为220GHz，相移参数m为π，由式(1)和式(2)可得同步周期p为0.168mm，考虑到10μm的加工精度以及相速度应略小于电子注速度的要求，周期取值为0.16mm。在式(4)中，根据工程经验，间隙渡越角θ_d取值为1.5，谐振角频率ω为1.38×10¹²rad/s，由式(4)可得间隙宽度d初值为0.08mm。通道半径取值为0.15mm，电子注半径为0.10mm。

如图2所示，是间隙数目对有效特性阻抗和模式间隔的影响，其中有效特性阻抗曲线根据公式(3)得到。随着间隙数的增加，有效特性阻抗逐渐增大，模式间隔逐渐减小。当间隙数为9、11和13时，模式间隔分别为2.62GHz、1.96GHz和1.70GHz，基于约1GHz的设计带宽、较大有效特性阻抗和模式间隔应大于设计带宽2倍的考虑，故而所设计的谐振腔采用11间隙。

图1中，参数d₁～d₁₁分别表示各个间隙的间隙宽度。在电磁仿真软件CST中构建仿真模型，为了便于观察电场分布，背景材料设置为PEC，谐振腔模型采用反结构的真空模型(即电场所在位置为真空)以方便建模，边界条件设置为电边界。在间隙宽度初值为0.08mm的基础上，对间隙宽度进行扫描，以获得较大有效特性阻抗和较大模式间隔，优化后的渐变间隙宽度为d₁＝d₂＝d₃＝0.12mm，d₄＝d₅＝d₆＝d₇＝0.10mm，d₈＝d₉＝d₁₀＝d₁₁＝0.08mm。

在此参数下进行本征模仿真，确定工作模式为TM₁₁₀-π膜，其电场分布如图3所示，电场集中在间隙中，相邻间隙的电场方向相反，呈现出正负交替分布的规律。通道中心的横向电场分布如图4所示，每个电场峰值对应着相应的间隙，长槽间隙的电场强度要强于短槽间隙的电场强度。

为了验证本发明提出的间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔的性能，构建了含有等间隙宽度的输入腔、两个等间隙宽度的中间腔及所设计的间隙宽度渐变的输出腔构成的分布作用速调管仿真模型，进行粒子模拟仿真。考虑到太赫兹频段的金属损耗，仿真时腔体材料无氧铜的电导率设置为2.36×10⁷S/m。通过扫描工作频率，得到输出功率随工作频率的变化曲线如图5所示，最大峰值输出功率达650W。当采用等间隙宽度的输出谐振腔时，最大峰值功率只有360W。相比采用等间隙宽度的输出谐振腔，采用本发明提出的间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，输出功率提升了80％，输出功率显著提高，证明本发明提出的一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔具有改善输出功率的优点。

本发明设计的间隙宽度渐变的多间隙分布式输出谐振腔，通过优化输出谐振腔横向电场分布，增大了电子注与电磁波相互作用能力，为提高分布作用速调管的输出功率提供一种可行的解决方案。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，其特征在于，包括上耦合腔、下耦合腔、电子注通道以及多个不同宽度的间隙，其中，多个不同宽度的间隙沿着电子注通道的方向分布，间隙宽度为间隙沿电子注通道的方向的尺寸，间隙采用长槽间隙和短槽间隙交替分布排列的方式；

同步周期根据电子注速度与工作模式相速度的同步关系确定；

间隙数量的选择兼顾有效特性阻抗和模式间隔，在满足模式间隔大于设计带宽2倍的前提下，间隙数量取最大值；所述模式间隔定义为工作模式与相邻模式的最小频率差别，用Δf表示，通过仿真可以得到不同模式的频率，计算仿真得到的工作模式的频率与相邻模式频率的差值，即为模式间隔；

渐变式间隙宽度通过仿真优化确定，通过分析不同渐变间隙宽度方案的电场分布、模式间隔和有效特性阻抗，确定最佳的渐变间隙宽度；仿真优化确定渐变式间隙宽度的具体方法为：首先确定间隙宽度初始值，在间隙宽度初始值的基础上，对间隙宽度进行扫描，以获得较大有效特性阻抗和较大模式间隔，从而得到优化后的渐变式间隙宽度；间隙宽度初始值由式(4)确定：

式中，d表示间隙宽度，θ_d表示间隙渡越角，v_e表示电子注速度，ω表示谐振角频率。

2.根据权利要求1所述的间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，其特征在于，所述同步周期表示各个相邻间隙之间的中心距离，由式(1)确定：

式中，p表示同步周期，v_p表示工作模式相速度，f₀为工作频率，m表示相移参数，其值与所选取的工作模式有关。

3.根据权利要求2所述的间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，其特征在于，为进行有效的注波互作用，工作模式相速度与电子注速度近似相等，亦即v_p≈v_e，电子注速度由式(2)确定：

式中，v_e表示电子注速度，c为光速，U₀为工作电压，单位：kV。

4.根据权利要求1所述的间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，其特征在于，所述有效特性阻抗反映了注波互作用能力的强弱，间隙数量越多，有效特性阻抗越大，注波互作用能力越强；定义如式(3)：

式中，(R/Q)·M ²表示有效特性阻抗，E_z表示间隙电场，ω表示谐振角频率，W_s表示谐振腔的总储能，β_e表示空间相位波数，j表示虚数单位，z表示横向长度。

5.根据权利要求1所述的间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，其特征在于，电子注速度v_e由式(2)确定：

式中，v_e表示电子注速度，c为光速，U₀为工作电压，单位：kV。