CN113345780B - 一种用于高阶工作模式的介质加载回旋行波管高频结构 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种用于高阶工作模式的介质加载回旋行波管高频结构，属于毫米波和太赫兹器件技术领域。在220GHz等高频段，相较于具有开放边界的共焦波导回旋行波管，本发明可以降低对工作模式的损耗，从而获得更高的增益及效率。本发明首次采用以高阶模式TE32为回旋行波管的工作模式，解决了以低阶模为工作模式介质加载回旋行波管的结构尺寸过小、功率容量低、电子注易被截获等问题，并实现了较高的功率输出。传统的周期性分布介质加载无法有效地抑制高阶模式带来的多种寄生模式振荡，本发明以非周期分布介质加载的方式灵活地解决了高阶模式带来的多种寄生模式振荡问题，并通过输出渐变段优化匹配非均匀磁场大幅度地提升输出功率，获得稳定的高增益输出。

Description

一种用于高阶工作模式的介质加载回旋行波管高频结构
技术领域
本发明属于毫米波和太赫兹器件技术领域，探索出了一种在高频率波段介质加载回旋行波管高频系统实现高增益的新方案，可以应用于220GHz频段的回旋行波管，并为太赫兹频段的回旋行波管高频系统研究奠定基础。
背景技术
毫米波的频段为30GHz-300GHz，其波长为1mm-10mm。220GHz毫米波的波长为1.36mm，可划为亚毫米波，很接近太赫兹波(300GHz-1THz)，是一个重要的大气窗口，其频率附近传输信号衰减较小，具有着重要的研究意义。至今，回旋行波管在Ku、Ka、Q和W各频段的研发比较成熟，并已能生产相关成品进行实际应用。向更高频段的研发是大势所趋。而更高频段的回旋行波管的研制技术还不完善，还存在很多问题，所以对220GHz回旋行波管的研究也迫在眉睫。此外，对220GHz回旋行波管的关键技术进行研究也可以为今后在太赫兹波段的回旋行波管研究提供思路。
回旋行波管是一种以电子为媒介并基于电子回旋脉塞效应将电能最终转换为电磁能来实现微波放大的真空电子器件。由于光滑波导的高频互作用结构容易产生寄生模式振荡，会限制回旋行波管的输出功率和带宽，台湾清华大学朱国瑞团队率先提出介质加载光滑波导来解决寄生模式振荡问题。通过在光滑波导表面涂敷介质层的方式，使寄生模式得到有效衰减，从而达到抑制寄生模式振荡的目的，即介质加载后的高频结构具有了模式选择的能力。
随着频率的增高，导致以低阶模为工作模式的介质加载回旋行波管的结构尺寸大幅缩小，这导致了功率容量低、加工困难、电子注易被截获等问题。为了增大功率容量，增大结构尺寸并减少模式竞争等问题，在高频波段更倾向于研究介质加载的共焦波导回旋行波管。共焦波导具有良好的模式选择特性，其开放的边界对低阶竞争模式造成极大的衍射损耗，因此采用高阶模为工作模式的共焦波导由于竞争模式少而容易达到输出稳定。但由于其衍射损耗的特性，也使得其输出效率和增益较低。
发明内容
本发明提出了一种介质加载的高次模式高增益回旋行波管高频系统，不仅结构简单，而且在满足功率需求的同时降低对前级驱动的功率需求，并实现了回旋行波管稳定的高增益输出。此外，本发明可为太赫兹频段的回旋行波管的研发提供参考。
本发明采取以下技术方案实现：
一种用于高阶工作模式的介质加载回旋行波管高频结构，该结构包括依次连接的：预群聚段、线性放大段、非线性放大段、输出渐变段；其特征在于：
所述预群聚段为金属圆波导；
所述线性放大段为内壁间隔镶嵌有环形有耗介质的金属圆波导，且镶嵌的环形有耗介质为非周期分布；
所述非线性放大段为金属圆波导；
所述输出渐变段为金属圆波导且内径线性增大。
进一步的，所述回旋行波管高频结构应用于210-224GHz频段，高阶模式为TE32，预群聚段、线性放大段、非线性放大段的内径为1.85mm，外径为2.5mm；输出渐变段的内径由1.85mm线性渐变到1.88mm，外径为2.5；预群聚段、线性放大段、非线性放大段、输出渐变段的长度依次为3mm，114mm，3mm，17mm；所述环形有耗介质为介电常数12(1-0.12j)的陶瓷，厚度为0.4mm；所述线性放大段中设置有五段环形有耗介质，第一到第五段的长度依次为21mm，21mm，16mm，30mm，18mm，相邻段之间间隔为2mm。
本发明提出的回旋行波管高频系统采用高阶模式非周期分布式介质加载圆波导高频结构。高阶工作模式TE32可以增大结构尺寸，提升功率容量，是满足输出功率和高增益的基础。预群聚段、线性放大段和非线性放大段的波导内半径相同，使整体互作用结构的色散特性保持一致，让电子注能够在预群聚段及线性放大段实现有效的相位调制，获得较高的线性增益，并在非线性段内进行强烈的注波互作用。线性放大段采用的非周期分布式介质加载方式可以灵活地改变竞争模式的损耗程度，抑制高阶模式带来的多个寄生模式振荡，保证电磁波的稳定输出。输出渐变段通过优化匹配的非均匀磁场使得电子注与场得以继续有效同步，将电子注的横向动能继续转换为电磁能，进一步提升输出功率，以实现高增益输出。整个高频系统在满足了输出功率和带宽的同时具有高增益稳定输出。
本发明的优点：
1)在220GHz等高频段，相较于具有开放边界的共焦波导回旋行波管，本发明可以降低对工作模式的损耗，从而获得更高的增益及效率。
2)本发明首次采用以高阶模式TE32为回旋行波管的工作模式，解决了以低阶模为工作模式介质加载回旋行波管的结构尺寸过小、功率容量低、电子注易被截获等问题，并实现了较高的功率输出。
3)传统的周期性分布介质加载无法有效地抑制高阶模式带来的多种寄生模式振荡，本发明以非周期分布介质加载的方式灵活地解决了高阶模式带来的多种寄生模式振荡问题，并通过输出渐变段优化匹配非均匀磁场大幅度地提升输出功率，获得稳定的高增益输出。
附图说明
图1是本发明提出的回旋行波管高频结构三维结构图。
图2是本发明提出的高频系统轴向剖面图。
图3是本发明提出的回旋行波管高频系统横向剖面图。
图4是TE32及竞争模式的无耗色散曲线。
图5是TE32及竞争模式的耦合系数和TE32的场分布。
图6是零驱动时TE32的场幅值图。
图7是零驱动时TE02的场幅值图。
图8是在217GHz处当输入功率为2mW时工作模式TE32的场幅值图。
图9是217GHz处当输入功率为2mW、2ns时在输出端口处横截面的场分布图。
图10是217GHz处当输入功率为2mW、29ns时在输出端口处横截面的场分布图。
图11是不同频率下饱和输入功率与饱和输出功率的关系。
图12是在不同频率下效率与增益的关系。
具体实施方式
下面结合设计实例及附图对本发明进一步说明。
图1、图2、图3分别给出了本发明提出的高次模式高增益非均匀分布介质加载回旋行波管高频系统的三维结构图、轴向剖面图、横向剖面图。该高频系统包括预群聚段D1、线性放大段D2、非线性放大段D3和输出渐变段D4。预群聚段D1、线性放大段D2和非线性放大段D3的波导内半径相同，使电子注能够在预群聚段D1及线性放大段D2实现有效的相位调制，然后在非线性段D3内进行强烈的注波互作用。线性放大段D2采用非周期分布介质加载的方式，各个介质层厚度都相同，通过优化得到各个介质层的长度以及相邻介质层间的间距，实现稳定输出。输出渐变段D4的波导内半径随轴向线性增加，通过优化匹配的非均匀磁场使得电子注与场得以继续有效同步，实现高增益输出。表1、2分别为本发明的高频系统各段的结构参数和线性放大段D2的介质层结构参数。
表1该回旋行波管高频系统各段的结构参数
Figure BDA0003086507960000031
Figure BDA0003086507960000041
表2线性放大段的介质层结构参数
介质层L1 介质层L2 介质层L3 介质层L4 介质层L5 介质层间距L6
长度(mm) 21 21 16 30 18 2
厚度(mm) 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 /
图4、图5分别给出了无耗色散曲线和耦合系数，从图中可以看出：相较于传统的低阶工作模式，以高阶模式TE32为工作模式可以增大高频系统的结构尺寸，提升功率容量，但寄生模式的数量却比以低阶工作模式时更多。通过分析可知，对工作模式TE32的主要竞争模式为TE02。传统的周期性分布式介质加载，能有效地抑制所有返波振荡，但无法抑制TE02模式的前向波振荡。本发明通过调节轴向分布介质加载的长度及间距，实现非周期性分布式介质加载来抑制寄生模式TE02的振荡，在不增加高频系统结构复杂度的情况下，使系统获得了稳定性。图6、图7分别为零驱动时TE32和TE02的场幅值图，从图中可以看出场幅值不大，最终分别稳定在2V和5V左右，说明本发明的高频系统能够稳定工作。
电子注与场会随着均匀的非线性放大输出段轴向距离的增加而逐渐不再同步，最终电子注甚至会从场中获得能量，从而影响输出功率。本发明在非线性放大段后接输出渐变段，并进行非均匀磁场匹配，使得电子注与场得以继续有效同步，来大幅提升输出功率，从而获得高增益输出，图8为在217GHz处当输入功率为2mW时工作模式的场幅值图，其稳定输出功率为20.5kW，增益为70.1dB，效率为20.7％，说明本发明的高频系统能实现稳定的高增益输出。图9和图10分别为2ns和29ns时在输出端口处横截面的场分布图，可以看出TE32模式场分布比较纯净。
图11和图12分别为本发明的高频系统在不同频率下饱和输入功率与饱和输出功率的关系和在不同频率下效率与增益的关系。从图中可以看出：在211GHz处有最大饱和输出功率27.5kW(对应饱和输入功率为7mW)，效率为27.8％，增益为65.9dB；在217GHz处有最大增益70.1dB，饱和输出功率为20.5kW(对应饱和输入功率为2mW)，效率为20.7％；在220GHz处的饱和输出功率为19kW(对应饱和输入功率为3mW)，效率为19.2％，增益为68dB；3dB带宽约为14GHz(210-224GHz)。

Claims (1)

1.一种用于高阶工作模式的介质加载回旋行波管高频结构，该结构包括依次连接的：预群聚段、线性放大段、非线性放大段、输出渐变段；其特征在于：
所述预群聚段为金属圆波导；
所述线性放大段为内壁间隔镶嵌有环形有耗介质的金属圆波导，且镶嵌的环形有耗介质为非周期分布；
所述非线性放大段为金属圆波导；
所述输出渐变段为金属圆波导且内径线性增大；
所述回旋行波管高频结构应用于210-224 GHz频段，高阶模式为TE32；预群聚段、线性放大段、非线性放大段的内径为1.85mm，外径为2.5mm；输出渐变段的内径由1.85 mm线性渐变到1.88 mm，外径为2.5；预群聚段、线性放大段、非线性放大段、输出渐变段的长度依次为3mm，114mm，3mm，17mm；所述环形有耗介质为介电常数12(1-0.12j)的陶瓷，厚度为0.4mm；所述线性放大段中设置有五段环形有耗介质，第一到第五段的长度依次为21mm，21mm，16mm，30mm，18mm，相邻段之间间隔为2mm。
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