CN113035672B - 一种基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，这种新型电路通过与双电子注互作用，可在毫米波乃至太赫兹频段产生百瓦到千瓦级的输出功率，其功率输出形式可以是脉冲的也可以是连续的，该电路可通过增大过模方向的尺寸得到更多数目的驻波半波长电场单元，从而支持与更多数目电子注的互作用，更大规模地增大电子电流和功率容量，实现毫米波和太赫兹频段的大功率相干辐射。
Description
技术领域
本发明属于微波、毫米波及太赫兹真空电子器件领域，具体涉及一种基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路。
背景技术
真空电子器件是实现高功率毫米波、太赫兹辐射源的一种重要手段，在军用和民用领域占据重要地位。如今，这类器件主要向高频率、高功率、高效率、高可靠性、低电压、紧凑型和小型化方向发展，扩展互作用器件(Extended interaction devices,EIDs)包括扩展互作用速调管和振荡器两类，这类器件所采用的互作用电路结合了速调管腔体增益、高峰值功率和行波管慢波结构宽带的特点，因此具有高耦合阻抗、单位长度电路高增益的优点，有利于在毫米波乃至太赫兹频段实现紧凑型高功率辐射源。这种电路通常工作在基模和单个电子注驱动条件下，然而，这种传统的工作机理使其频率升高过程中受到波长共度效应的限制，电路的结构尺寸随着频率升高而减小，尤其是当频率扩展到亚毫米波及太赫兹频段，其尺寸减小到亚毫米波乃至微米量级，导致器件的发展面临诸多问题，包括以下几个方面：
1.注通道尺寸减小，导致可通过的电子注尺寸减小，若电流密度不变，则电流减小，无法满足器件起振(对振荡器而言)和功率的要求；若电流密度增大，则电子横向速度离散更严重，要求聚束磁场强度增大，与研制紧凑型器件背道而驰；
2.结构加工容易差较难控制且对电路频率等的影响更加显著，装备难度增大。尤其是电子聚焦系统的公差和装配，电子对准误差增大，易导致电子截获增大，对于太赫兹互作用电路的微型尺寸，微小的拦截可能导致热损失；
3.电路结构表面粗糙度增大，欧姆损耗增大，会产生额外的热量，在一个典型的W波段EIK中，输出腔中产生射频能量的70％被耦合到输出波导管，剩下的30％在电路中作为热量散失。在太赫兹频率下，这个比率变化很快更多的能量以热的形式散失。
这些问题不仅导致器件功率降低，还可能使其无法工作。为了克服这些困难，提出采用带状电子注、多电子注技术增大电子电流，采用过模工作的方式减小欧姆损耗，这就要求互作用电路在支持高频率工作的同时具有横向大尺寸结构，为以上大横截面积的电子注提供互作用空间和稳定的工作条件。而在工程实际中，带状注较难产生、聚焦和传输，尤其高频率器件设计中，带状注的实现难度更大；与带状注相比，多注是一种可行的方案，然而，各个电子注束流参数的一致性对器件性能影响很大，因此结合横向大尺寸结构的需求，设计可支持对各个电子注要求较低且稳定工作的过模扩展互作用电路成为当前EID向毫米波乃至太赫兹频段发展的关键方向。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路解决了现有的EID向毫米波及太赫兹频段发展的功率降低问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，包括金属壳体、横向过模尺寸光栅、电子注通道，上盖板和下盖板；
所述横向过模尺寸光栅设置于所述金属壳体内部；
所述横向过模尺寸光栅包括若干上下两端开口的矩形槽间隙，所述矩形槽间隙的矩形长边方向具有过模尺寸，所述矩形槽间隙等间隔平行设置于所述金属壳体内部，其设置方向与过模尺寸方向及开口方向均垂直；
每个所述矩形槽间隙过模方向末端均设置有对称分布的圆形孔，所述圆形孔贯穿于所述矩形槽间隙的开口两端；
所述电子注通道为两个圆柱形通道，所述圆柱形通道从所述金属壳体的侧面开始沿所述矩形槽间隙等间隔平行方向贯穿所有矩形槽间隙，且两个所述圆柱形通道对称分布于靠近圆形孔的横向过模尺寸光栅内部；
所述上盖板和下盖板分别设置于所述金属壳体的上表面和下表面，所述上盖板和下盖板朝向金属壳体的一侧均设置有尺寸相同的耦合腔矩形槽；
两个所述耦合腔矩形槽的内端口分别与所述矩形槽间隙的上下开口端连接，所述上盖板中的耦合腔矩形槽的外端口通过耦合孔与输出波导连接。
进一步地，所述矩形槽间隙的周期长度由纵向工作模式π或2π的同步条件决定，并结合工作频率，进而确定周期长度尺寸；
所述周期长度P与纵向工作模式之间的关系式为：
式中，f为工作频率，Ve为电子的直流速度，N为常数，当纵向工作模式为π时，N＝0.5，当纵向工作模式为2π时，N＝1。
进一步地，所述矩形槽间隙的长度的取值范围为为所述周期长度P的1/3～1/2。
进一步地，所述矩形槽间隙沿过模方向的波导波长λg为：
式中，λ为工作波长，fc为截止频率，f为工作频率；
所述矩形槽间隙沿过模方向的尺寸Gx为：
式中，l＝1,2,3,...，λg1为矩形槽间隙在过模方向具有耦合腔部分的间隙内的驻波波长，λg2为矩形槽间隙在过模方向不包括耦合腔部分的间隙内的驻波波长，λg1＝2Cx，Cx为电场按照
分布区域两端等效边界之间的尺寸，
c为光速，hy为矩形槽间隙开口两端之间的长度。
进一步地，所述电子注通道的直径为双电子注扩展互作用电路工作波长的1/10～1/2。
进一步地，所述圆形孔的直径大于矩形槽间隙的长度，且小于矩形槽间隙的周期长度。
进一步地，所述金属壳体内设置的矩形槽间隙等间隔排列方向上的长度小于等于整数倍个驻波半波长。
进一步地，所述双电子注扩展互作用电路的工作模式为间隙高阶模TM13模式；
所述间隙高阶模TM13模式沿矩形槽间隙过模方向的电场按
和
依次分布，且相邻电场之间的等效电边界条件间隔。
进一步地，当工作模式为间隙高阶模TM1n模式，且n≥4，对应电子注数目大于1且小于等于n，形成多电子注互扩展电路；
所述电子注数目与对应工作模式下的多电子注扩展互作用电路中的圆柱形通道的数目相同；
其中，n为模式纵向电场分布沿光栅过模方向驻波半波长数目。
进一步地，当所述双电子注扩展互作用电路工作状态下的双电子注不一致时，两个电子注电流的差异范围为0～(m-1)I0，其中，I0为一个电子注电流，mI0为另一个电子注电流，m为任意常数。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，与传统单电子注多间隙扩展互作用电路相比，本发明通过将光栅矩形槽间隙中决定工作频率的横向尺寸扩展到容纳整数个驻波半波长，得到间隙高阶模，其中，间隙高阶模的电磁场主要分布在光栅矩形槽间隙中，为多电子注提供较强的驻波互作用，这种强互作用为高阶模稳定工作提供了物理基础，另外，电子注分布于其他横向模式弱电场区，导致其他横向模式难以起振，结合物理基础可知，本发明提出的间隙高阶模具有稳定工作的特性，这种延展光栅中决定工作频率尺寸的设计极大地促成了稳定地高阶模工作，为EID采用高阶模技术向更高频率发展提供了一种有效的方法；
(2)与传统基模工作扩展互作用相比，所述基于间隙高阶模的双注电路具有与原单注电路相同磁特性，包括工作频率、色散特性、固有品质因数，在此基础上额外引入更多的电子注参与注波互作用，达到克服高频率毫米波乃至太赫兹器件起振困难，且进一步提升功率的目的。
(3)本发明中的双注电路具有减小欧姆损耗的优势，传统基模电路的欧姆损耗主要集中在尺寸小于波长的光栅结构中，双注电路的过模光栅结构使原电路中表面电流分散分布，减小了原电路的欧姆损耗。
(4)本发明在光栅过模尺寸方向末端设有对称圆形孔，孔直径远大于光栅矩形槽间隙宽度且小于槽间隙排列周期，孔贯穿光栅开口两端，这种圆形孔设计为电火花线切割技术采用的切割金属线提供了空间，实际加工中在金属块上先加工两端圆形孔，将金属线穿入一端的圆形孔，移动切割线得到矩形槽间隙，穿入间隙另一端的圆形孔；所发明的圆形孔避免了金属线在切割金属过程中与金属壁接触而导致其断裂损坏，为高频率毫米波及太赫兹频段设计中采用该技术加工器件结构奠定了基础，节约了加工成本。
(5)本发明中间隙高阶模在保持原单注电路电磁特性不变的基础上引入多注，各个电子注是与过模光栅内的强场进行互作用，建立强场依赖于电子注在光栅内的强激励作用，从而导致该发明电路支持非一致多电子注工作，在各个电子注参数不同甚至只有一个电子注工作时，电路仍可正常工作，本发明电路对各个电子注的均匀性没有要求，这为多注器件的稳定性奠定了基础。
附图说明
图1为本发明中的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路的三维结构示意图。
图2为本发明提供的双注电路工作在TM13-2π模的三维电场分布图。
图3为本发明提供的间隙高阶模TM13-2π模在XY横截面的电场分布图。
图4为本发明提供的间隙高阶模TM13-2π模在XZ横截面的电场分布图。
图5为本发明提供的基于本发明过模设计方法所得间隙高阶模TM15-2π在XY横截面的电场分布图。
其中：1、金属壳体；2、圆形孔；3、矩形槽间隙；4、电子注通道；5、下盖板；6、下盖板中的耦合腔矩形槽；7、上盖板；8、上盖板中的耦合腔矩形槽；9、耦合孔；10、输出波导。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，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。
实施例1：
如图1所示，以图中X方向为宽度方向，Y方向为高度方向，Z方向为长度方向，本发明提供的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，包括金属壳体1、横向过模尺寸光栅、电子注通道4，上盖板7和下盖板5；
所述横向过模尺寸光栅设置于所述金属壳体1内部；
所述横向过模尺寸光栅包括若干上下两端开口的矩形槽间隙3，所述矩形槽间隙3的矩形长边方向具有过模尺寸，所述矩形槽间隙3等间隔平行设置于所述金属壳体1内部，其设置方向与过模尺寸方向及开口方向均垂直；
每个所述矩形槽间隙3过模方向末端均设置有对称分布的圆形孔2，所述圆形孔2贯穿于所述矩形槽间隙3的开口两端；
所述电子注通道4为两个圆柱形通道，所述圆柱形通道从所述金属壳体1的侧面开始沿所述矩形槽间隙3等间隔平行方向贯穿所有矩形槽间隙3，且两个所述圆柱形通道对称分布于靠近圆形孔2的横向过模尺寸光栅内部；
所述上盖板7和下盖板5分别设置于所述金属壳体1的上表面和下表面，所述上盖板7和下盖板5朝向金属壳体1的一侧均设置有尺寸相同的耦合腔矩形槽；
两个所述耦合腔矩形槽的内端口分别均与所述矩形槽间隙3的上下开口端连接，所述上盖板中的耦合腔矩形槽8的外端口通过耦合孔9与输出波导10连接。
本实施例中的在矩形槽间隙3的矩形长边方向具有过模尺寸是指在该方向上个的尺寸大于一个工作波长。
本实施例中的矩形槽间隙3的周期长度由纵向工作模式π或2π的同步条件决定，并结合工作频率，进而确定周期长度尺寸；
上述周期长度P与纵向工作模式之间的关系式为：
式中，f为工作频率，Ve为电子的直流速度，N为常数，当纵向工作模式为π时，N＝0.5，当纵向工作模式为2π时，N＝1。
本实施例中的矩形槽间隙3的长度的取值范围为为所述周期长度P的1/3～1/2。
本实施例中的矩形槽间隙3沿过模方向的波导波长λg为：
式中，λ为工作波长，fc为截止频率，f为工作频率；
矩形槽间隙3沿过模方向的尺寸Gx为：
式中，l＝1,2,3,...，λg1为矩形槽间隙在过模方向具有耦合腔部分的间隙内的驻波波长，λg2为矩形槽间隙在过模方向不包括耦合腔部分的间隙内的驻波波长，λg1＝2Cx，Cx为电场按照
分布区域两端等效边界之间的尺寸，
c为光速，hy为矩形槽间隙开口两端之间的长度。
本实施例中的电子注通道4的直径为工作波长的1/10～1/2。
本实施例中的圆形孔2的直径大于矩形槽间隙3的长度，且小于矩形槽间隙3的周期长度。
本实施例中的所述金属壳体1内设置的矩形槽间隙3等间隔排列方向上的长度小于等于整数倍个驻波半波长。
在本实施例中，基于图1中的电路结构，其工作模式为间隙高阶模TM13模式，纵向模式可以为π模也可以为2π模，但工作模式不限于TM13模；图3所示，本实施例中的TM13模式沿矩形槽间隙过模方向的电场按
和
依次分布，且相邻电场之间的等效电边界条件间隔。
当工作模式为间隙高阶模TM1n模式，且n≥4，对应电子注数目大于1且小于等于n，形成多电子注互扩展电路；电子注数目与对应工作模式下的多电子注扩展互作用电路中的圆柱形通道的数目相同；其中，n为模式纵向电场分布沿光栅过模方向驻波半波长数。
本实施例中，当所述双电子注互作用扩展电路工作状态下的双电子注不一致时，两个电子注电流的差异范围为0～(m-1)I0，其中，I0为一个电子注电流，mI0为另一个电子注电流，m为任意常数。
实施例2：
本实施例以与EIO工作频率为220GHz、在驻波工作模式下电压约为22kV配套用双注扩展互作用电路为例，为了便于加工和装配，采用如图1所示的三部分组装的方式进行，图1(a)为基于过模结构设计的11个矩形槽间隙3光栅结构，每个间隙长度为0.16mm，相邻间隙的周期长度为0.37mm，间隙沿X方向为过模尺寸方向，总宽度为3.43mm，间隙高度为0.8mm，间隙在X方向末端的圆形孔2直径为0.32mm，圆形孔2贯穿矩形槽间隙3的高度为0.8mm；两个电子注通道4均为圆形柱通道，贯穿光栅结构的Z向末端，直径均为0.3mm，两通道中心间距为2.2mm。图1(b)为该过模光栅结构配套输出电路结构形成EIO电路的示意图，其中上盖板7带有上耦合腔体矩形槽、耦合孔9及标准输出波导10，下盖板5带有下耦合腔体矩形槽，上下耦合腔体矩形槽尺寸完全相同，长宽高均为3.9mm×0.8mm×0.22mm，输出矩形波导为WR4标准波导；本实施方式，上盖板7、光栅结构和下盖板5均采用金属铜制作后，焊接成一体即成。
本实施方式所得EIO器件工作时两个电子注通道4输入端与双电子注电子光学系统连接，输出端与收集极连接。
图2为该EIO器件采用的双电子注扩展互作用电路工作在TM13-2π模的三维电场分布图，两个电子注通道4分别位于过模间隙结构沿X方向两端的驻波半波长电场分布区域，两个驻波半波长电场强度分布及强度均相等，且强于X方向中间位置的驻波半波长电场强度，电场沿纵向矩形槽间隙3呈现周期性驻波均匀分布。图3为该模式在YZ截面上的二维电场分布图(即矩形槽间隙3)，电子注穿过之处为电场强度最强区域。图4为该模式在XZ截面上的二维电场分布图，图示电场沿纵向周期性分布与图2所示场分布一致。
本实施例所得EIO器件对应工作电压为22.2kV，注波互作用效率较高，双电子注电子枪采用传统皮尔斯电子枪，具有分布的两个阴极，聚焦系统采用永磁体发射的两个电子注共用同一个磁聚焦系统。
当器件工作在理想情形，即两个电子注束流参数相同时，电压22.2kV条件下注电流均为0.25A且聚焦磁场约为1.0Tesla时，EIO输出功率可达1.32kW，当考虑欧姆损耗时，仿真中采用有效电导率为2.2e7S/m时，通过调节电子注束流参数，最低效率可达3.5％以上。
当器件工作在一般情形，即两个电子注束流参数不一致时的情形，具体为在工作电压相同时两个电子注的电流不一致，本实施例中假定一个电子注电流I1为I0，且将其设定为基准电流，另一个电子注电流I2从0增大到4I0的条件下，EIO仍可工作在TM13-2π模式，设定器件只有一个电子注工作即电子注电流只有I0时输出功率为P0。在I2从0增大到4I0过程中，EIO输出功率先随电流增大按y＝(P0/I0)x+I0规律线性增长，当电流增大到某一范围时，功率增大速度减小，继续增大I2，功率趋于饱和。需要特别说明的是，功率趋于饱和的快慢与I0密切相关，I0的选取与器件的性能需求有关，当器件间隙数目较多时，较小的I0即可满足器件起振要求，则I2为较大倍数的I0时(I2＝NI0，其中N较大)功率才趋于饱和，即功率趋于饱和的速度较慢；当器件需要实现高功率时，需要较大值的I0，则I2为较小(N较小)倍数的I0时功率趋于饱和，即功率趋于饱和的速度较快。总之，采用这种过模扩展互作用电路的设计可支持非一致多电子注的注波互作用和稳定的间隙高阶模工作，为器件向高频率发展采用多电子注技术和稳定的高阶模机制实现高功率提供了理论基础和重要方向。
实施例3：
依据本发明所述过模扩展互作用电路的设计方法，得到工作频率为220GHz的四注扩展互作用电路，其工作模式为TM15-2π，图5为TM15-2π模在XY横截面上的电场分布，电场沿X方向具有5个驻波半波长分布单元，电子注分别位于X方向中间位置半波长电场区域两端对称分布的电场最强处，具有较强的注波互作用能力。本实施例表明本发明所述过模电路设计方法可支持TM1n模式的设计，其中n为非0和1的任意整数，为更多数目电子注和稳定高阶模工作器件的设计奠定了基础，为EID器件向高频率、高功率发展指明了方向。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
Claims (9)
1.一种基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，其特征在于，包括金属壳体(1)、横向过模尺寸光栅、电子注通道(4)，上盖板(7)和下盖板(5)；
所述横向过模尺寸光栅设置于所述金属壳体(1)内部；
所述横向过模尺寸光栅包括若干上下两端开口的矩形槽间隙(3)，所述矩形槽间隙(3)的矩形长边方向具有过模尺寸，所述矩形槽间隙(3)等间隔平行设置于所述金属壳体(1)内部，其设置方向与过模尺寸方向及开口方向均垂直；
每个所述矩形槽间隙(3)过模方向末端均设置有对称分布的圆形孔(2)，所述圆形孔(2)贯穿于所述矩形槽间隙(3)的开口两端；
所述电子注通道(4)为两个圆柱形通道，所述圆柱形通道从所述金属壳体(1)的侧面开始沿所述矩形槽间隙(3)等间隔平行方向贯穿所有矩形槽间隙(3)，且两个所述圆柱形通道对称分布于靠近圆形孔(2)的横向过模尺寸光栅内部；
所述上盖板(7)和下盖板(5)分别设置于所述金属壳体(1)的上表面和下表面，所述上盖板(7)和下盖板(5)朝向金属壳体(1)的一侧均设置有尺寸相同的耦合腔矩形槽；
两个所述耦合腔矩形槽的内端口分别与所述矩形槽间隙(3)的上下开口端连接，所述上盖板中的耦合腔矩形槽(8)的外端口通过耦合孔(9)与输出波导(10)连接；
所述矩形槽间隙(3)沿过模方向的波导波长λg为：
式中，λ为工作波长，fc为截止频率，f为工作频率；
所述矩形槽间隙(3)沿过模方向的尺寸Gx为：
式中，l＝1,2,3,...，λg1为矩形槽间隙在过模方向具有耦合腔部分的间隙内的驻波波长，λg2为矩形槽间隙在过模方向不包括耦合腔部分的间隙内的驻波波长，λg1＝2Cx，Cx为电场按照
分布区域两端等效边界之间的尺寸，
c为光速，hy为矩形槽间隙开口两端之间的长度。
2.根据权利要求1所述的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，其特征在于，所述矩形槽间隙(3)的周期长度由纵向工作模式π或2π的同步条件决定，并结合工作频率，进而确定周期长度尺寸；
所述周期长度P与纵向工作模式之间的关系式为：
式中，f为工作频率，Ve为电子的直流速度，N为常数，当纵向工作模式为π时，N＝0.5，当纵向工作模式为2π时，N＝1。
3.根据权利要求2所述的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，其特征在于，所述矩形槽间隙(3)的长度的取值范围为所述周期长度P的1/3～1/2。
4.根据权利要求1所述的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，其特征在于，所述电子注通道(4)的直径为双电子注扩展互作用电路工作波长的1/10～1/2。
5.根据权利要求1所述的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，其特征在于，所述圆形孔(2)的直径大于矩形槽间隙(3)的长度，且小于矩形槽间隙(3)的周期长度。
6.根据权利要求1所述的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，其特征在于，所述金属壳体(1)内设置的矩形槽间隙(3)等间隔排列方向上的长度小于等于整数倍个驻波半波长。
7.根据权利要求1所述的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，其特征在于，所述双电子注扩展互作用电路的工作模式为间隙高阶模TM13模式；
所述间隙高阶模TM13模式沿矩形槽间隙过模方向的电场按
和
依次分布，且相邻电场之间的等效电边界条件间隔。
8.根据权利要求1所述的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，其特征在于，当工作模式为间隙高阶模TM1n模式，且n≥4时，对应电子注数目大于1且小于等于n，形成多电子注互扩展电路；
所述电子注数目与对应工作模式下的多电子注扩展互作用电路中的圆柱形通道的数目相同；
其中，n为模式纵向电场分布沿光栅过模方向驻波半波长数。
9.根据权利要求1所述的基于间隙高阶模的双电子注扩展互作用电路，其特征在于，当所述双电子注扩展互作用电路工作状态下的双电子注不一致时，两个电子注电流的差异范围为0～(mI0-I0)，其中，I0为一个电子注电流，mI0为另一个电子注电流，m为任意常数。
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