CN114724906B - 一种光栅扩展互作用腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅扩展互作用腔结构，在现有技术基础上，将与轴线夹角均为90度的光栅，调整为具有不同倾角的偏转光栅组合，这种偏转光栅组合可以改变能量的辐射角度，实现多周期光栅的能量在耦合腔内的有效耦合，同时将耦合腔的矩形壁改为弧面壁，耦合腔变为弧面耦合腔，使得光栅扩展互作用腔结构的光栅周期数可以进行有效扩展，从而解决了传统光栅扩展互作用腔结构的光栅数增多导致的模式竞争和腔内场隔离的问题，一方面有效降低了起振电流，解决了高频太赫兹频段难以起振的问题且提升了输出功率；另一方面有效提升了扩展互作用放大器的腔体调制能力，使光栅扩展互作用腔结构能够应该到工作频率0.65THz及以上，这样其在太赫兹源的产生和放大方面具有应用潜力。

Description

一种光栅扩展互作用腔结构

技术领域

本发明属于真空电子器件技术领域，更为具体地讲，涉及一种光栅扩展互作用腔结构，该光栅扩展互作用腔结构可以用于扩展互作用放大器和扩展互作用振荡器以及混合互作用放大器与振荡器，尤其适合工作在太赫兹频段。

背景技术

扩展互作用器件是一种重要的真空电子器件，具有设计简单、易加工、高功率、高效率、稳定性好等特点，在雷达、等离子体诊断等众多领域具有非常广泛的应用。

图1是现有光栅扩展互作用腔结构的中心截面示意图。

如图1所示，现有光栅扩展互作用腔结构，由两组关于中心轴线对称分布的光栅1b、电子注通道7和矩形体耦合腔2构成，耦合孔9用于耦合腔能量有效馈入标准波导4，标准波导4用于能量的输出。光栅1b与轴线的夹角都为90度，这种光栅扩展互作用腔结构的光栅周期数往往比较少。当光栅扩展互作用腔结构的工作频率提升至0.65THz及以上时，腔结构的尺寸变小，受阴极发射电流密度的限制，阴极发射电流急剧减小，光栅周期数较少时，作为扩展互作用振荡器使用时，无法达到起振电流而不起振，作为扩展互作用放大器进行腔体级联时，不放大的情况。

为了解决光栅扩展互作用腔结构在高频太赫兹频段的应用问题，就需要提高整腔的特性阻抗，而提高阻抗最有效的方法就是对扩展互作用腔体的光栅周期数进行大规模扩展。然而，现有光栅扩展互作用腔结构当光栅周期数增加至三十以上时，会出现腔模场分布隔离的情况，这种隔离情况轻则影响输出功率，重则造成模式振荡。

发明内容

本发明的目的在于解决现有扩展互作用腔体光栅周期数不能有效扩展的问题，提出一种光栅扩展互作用腔结构，当光栅周期数增多时，可以使腔场在耦合腔内有效耦合，从而将总光栅周期数进行大规模扩展，以实现降低扩展互作用振荡器的起振电流和提高扩展互作用放大器腔体级联效果的目的，使光栅扩展互作用腔结构能够应该到工作频率0.65THz及以上。

为实现上述发明目的，本发明光栅扩展互作用腔结构，包括：耦合腔、两组沿中心轴线对称的光栅、带状电子注通道以及用于连接标准矩形波导耦合孔；

所述带状电子注通道为所述两组沿中心轴线对称的光栅之间的间隙构成的天然通道，供带状电子注通过，带状电子注在光栅中激励起电磁表面波并与之互作用，实现电磁波的产生与放大，且带状电子注通道贯穿整个耦合腔；

所述耦合孔位于耦合腔和标准矩形波导之间，用于耦合腔与标准矩形波导之间的能量输入/输出；

其特征在于：

所述耦合腔为弧面耦合腔，弧面耦合腔为传输方向左右两侧间隔一段距离的金属外壳的内侧向外凹形成的弧面金属壁以及上下两侧间隔一段距离的金属外壳的内侧平面金属壁构成的空间，这样弧面耦合腔中心部分为矩形体，左右两则部分为弧面部分，矩形部分具有一个宽度特征，弧面部分具有一个弧度和一个半径特征，它们共同具有调整腔体频率和腔体模式分布的功能；

所述两组沿中心轴线对称的光栅为两组偏转光栅组合，置于弧面耦合腔传输方向中心轴线；每组偏转光栅组合含有多种角度的光栅，且关于弧面耦合腔传输方向中心轴线对称，两个相邻光栅之间具有一个真空间隙，其中，每组偏转光栅组合位于腔体中间部分光栅，其形状为矩形体，与中心轴线的夹角为90度，其他部分的光栅为偏转光栅，其形状为平行四边形体，位于弧面耦合腔中心纵线带状电子注输入侧的偏转光栅，与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角小于90度，位于弧面耦合腔中心纵线带状电子注输出侧的偏转光栅，与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角大于90度；

不同角度光栅之间用一梯形体光栅过渡，梯形体光栅两侧平面与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角与各种侧偏转光栅与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角相等。

本发明的目的是这样实现的。

本发明光栅扩展互作用腔结构，在现有技术基础上，将与轴线夹角均为90度的光栅，调整为具有不同倾角的偏转光栅组合，这种偏转光栅组合可以改变能量的辐射角度，实现多周期光栅的能量在耦合腔内的有效耦合，同时将耦合腔的矩形壁改为弧面壁，耦合腔变为弧面耦合腔，使得光栅扩展互作用腔结构的光栅周期数可以进行有效扩展，从而解决了传统光栅扩展互作用腔结构的光栅数增多导致的模式竞争和腔内场隔离的问题。这种偏转光栅的扩展，一方面有效降低了起振电流，解决了高频太赫兹频段扩展互作用振荡器难以起振的问题，且提升了输出功率；另一方面有效提升了扩展互作用放大器的腔体调制能力，使其能在高频段、高损耗、低电流的情况下依旧具有腔体级联能力，使光栅扩展互作用腔结构能够应该到工作频率0.65THz及以上，这样其在太赫兹源的产生和放大方面具有应用潜力。

附图说明

图1是现有光栅扩展互作用腔结构的中心截面示意图；

图2是本发明光栅扩展互作用腔结构一种具体实施方式的整体结构示意图；

图3是图2所示光栅扩展互作用腔结构的中心截面示意图；

图4是本发明光栅扩展互作用腔结构另一种具体实施方式中的中心截面示意图；

图5是本发明中具有两种偏转光栅的光栅扩展互作用腔结构级联构建的扩展互作用放大器的中心截面示意图；

图6是本发明中具有两种偏转光栅的光栅扩展互作用腔结构构建扩展的互作用振荡器的输出功率随偏转光栅夹角θ变化图；

图7是本发明中具有四种偏转光栅的光栅扩展互作用腔结构构建扩展的互作用振荡器的输出功率随的输出功率随电流变化图。

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。

图2是本发明光栅扩展互作用腔结构一种具体实施方式的整体结构示意图，图3是其中心截面示意图。

在本实施例中，如图2、3所示，本发明光栅扩展互作用腔结构包括：耦合腔2、两组沿中心轴线对称的光栅即偏转光栅组合1、带状电子注通道7以及用于连接标准矩形波导4的耦合孔9。

所述带状电子注通道7为所述两组沿中心轴线对称的光栅1之间的间隙构成的天然通道，供带状电子注通过，带状电子注在光栅1中激励起电磁表面波并与之互作用，实现电磁波的产生与放大，且带状电子注通道7贯穿整个耦合腔2。

所述耦合孔9位于耦合腔2和标准矩形波导4之间，用于耦合腔2与标准矩形波导4之间的能量输入/输出。

所述耦合腔2为弧面耦合腔，弧面耦合腔2为传输方向左右两侧间隔一段距离的金属外壳5的内侧向外凹形成的弧面金属壁3以及上下两侧间隔一段距离的金属外壳6的内侧平面金属壁构成的空间，这样弧面耦合腔中心部分为矩形体(图3中两虚线之间部分)，左右两则部分为弧面部分(图3中两虚线外侧部分)，矩形部分具有一个宽度特征，弧面部分具有一个弧度和一个半径特征，它们共同具有调整腔体频率和腔体模式分布的功能。

所述两组沿中心轴线对称的光栅1为两组偏转光栅组合1，置于弧面耦合腔传输方向中心轴线；每组偏转光栅组合含有多种角度的光栅，且关于弧面耦合腔传输方向中心轴线对称。在本实施例中，有三种角度的光栅，即90度以及角度为θ和180°-θ的光栅。

两个相邻光栅之间具有一个真空间隙8，其中，每组偏转光栅组合位于腔体中间部分光栅，其形状为矩形体，与中心轴线的夹角为90度，其他部分的光栅为偏转光栅，其形状为平行四边形体，位于弧面耦合腔中心纵线带状电子注输入侧的偏转光栅，与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角小于90度，位于弧面耦合腔中心纵线带状电子注输出侧的偏转光栅，与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角大于90度。在本实施例中，如图3所示，分别为小于90度角度θ，以及大于90度180-θ。

不同角度光栅之间用一梯形体光栅10、11过渡，梯形体光栅10、11两侧平面与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角与各种侧偏转光栅与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角相等。

在本实施例中，如图3所示，本发明光栅扩展互作用腔结构具有两种偏转光栅，1a是与轴向夹角为θ的偏转光栅，1b是与轴向夹角为90度的正常光栅，1c是与轴向夹角为180°-θ的偏转光栅(1a、1c为对称的，只是方向相反)，10和11是两种光栅之间的过渡梯形体金属栅，1a、1b和1c中的光栅都关于中心轴线，且1a和1c关于中心纵线对称，θ的取值范围小于90度，这样1a和1c与电子注互作用产生的能量都能够向中心靠拢，再加上弧面壁的反射作用，当周期数增多时亦能产生有效耦合。

如图2、3所示，相比于如图1所示的光栅皆为90度的光栅扩展互作用腔结构，本发明偏转光栅可以改变电子注经过光栅所产生的辐射的方向，从而使大量光栅的辐射可以在弧面耦合腔内产生有效耦合，耦合的能量可以通过耦合孔输出至标准矩形波导。

图4是本发明光栅扩展互作用腔结构另一种具体实施方式中的中心截面示意图。

当光栅周期数增多时，偏转角度组合角度种类也应增加，且越远离弧面耦合腔中心纵线带状电子注输入侧部分的偏转光栅，该部分偏转光栅与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角越小，这样做是为了优化腔体总体耦合的效果。

在本实施例中，如图4所示，是本发明光栅扩展互作用腔结构具有四种偏转光栅结构的中心截面示意图，1d部分偏转光栅是与轴线夹角为θ₁的偏转光栅，1e部分偏转光栅是与轴向夹角为180°-θ₁的偏转光栅，θ₁小于θ，当所需周期数进一步增加时，可通过增加偏转夹角更小的光栅来进行扩展。

图5是本发明中具有两种偏转光栅的光栅扩展互作用腔结构级联构建的扩展互作用放大器的中心截面示意图。

在本实施例中，如图5所示，基于本发明的扩展互作用放大器，由输入腔12、中间腔13、输出腔14和漂移段15组成，12和14的数量各为一个，13的数量视具体应用而定，且它们的光栅数也视具体应用而定，该放大器的信号由输入腔的标准波导输入，然后输入信号调制电子注，调制的电子注在中间腔产生自调制，最后电子注在输出腔中释放能量，得到放大的输出信号。

图6是本发明中具有两种偏转光栅的光栅扩展互作用腔结构构建的扩展互作用振荡器的输出功率随偏转光栅夹角θ变化图。

在本实施例中，如图6所示，具有两种偏转光栅的光栅扩展互作用腔结构构建的扩展互作用振荡器的输出功率随偏转光栅夹角θ的变化，工作频率为0.65THz，当θ为90度时即为传统结构，输出波形出现了波动且输出较低，而偏转光栅夹角θ小于90度时，输出功率明显提高，其中，偏转光栅夹角θ为65度时，输出功率最高。因此，本发明提高了传统扩展互作用振荡器的输出功率和稳定性。

图7是本发明中具有四种偏转光栅的光栅扩展互作用腔结构构建扩展的互作用振荡器的输出功率随的输出功率随电流变化图。

如图7所示，互作用振荡器工作频率为0.65THz，在高金属损耗情况下，起振电流在该结构中降到了10mA，该值还可随着周期数进一步扩展而降低。

从图6、7，我们可以看出，本发明提升了输出功率，同时降低了起振电流，本发明光栅扩展互作用腔结构能够应该到工作频率0.65THz及以上，解决了现有光栅扩展互作用腔结构存在的缺陷。

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 (2)

1.一种光栅扩展互作用腔结构，包括：耦合腔、两组沿中心轴线对称的光栅、带状电子注通道以及用于连接标准矩形波导耦合孔；

所述带状电子注通道为所述两组沿中心轴线对称的光栅之间的间隙构成的天然通道，供带状电子注通过，带状电子注在光栅中激励起电磁表面波并与之互作用，实现电磁波的产生与放大，且带状电子注通道贯穿整个耦合腔；

所述耦合孔位于耦合腔和标准矩形波导之间，用于耦合腔与标准矩形波导之间的能量输入/输出；

其特征在于：

所述耦合腔为弧面耦合腔，弧面耦合腔为传输方向左右两侧间隔一段距离的金属外壳的内侧向外凹形成的弧面金属壁以及上下两侧间隔一段距离的金属外壳的内侧平面金属壁构成的空间，所述弧面耦合腔中心部分为矩形部分，左右两则部分为弧面部分，矩形部分具有一个宽度特征，弧面部分具有一个弧度和一个半径特征，矩形部分与弧面部分共同具有调整腔体频率和腔体模式分布的功能；

所述两组沿中心轴线对称的光栅为两组偏转光栅组合，置于弧面耦合腔传输方向中心轴线；每组偏转光栅组合含有多种角度的光栅，且关于弧面耦合腔传输方向中心轴线对称，两个相邻光栅之间具有一个真空间隙，其中，每组偏转光栅组合位于腔体中间部分光栅，其形状为矩形体，与中心轴线的夹角为90度，其他部分的光栅为偏转光栅，其形状为平行四边形体或梯形体，位于弧面耦合腔中心纵线带状电子注输入侧部分的偏转光栅为平行四边形体，与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角小于90度，位于弧面耦合腔中心纵线带状电子注输出侧部分的偏转光栅为平行四边形体，与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角大于90度；

平行四边形体的偏转光栅与腔体中间部分矩形体光栅之间用一梯形体光栅过渡，梯形体光栅两侧平面与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角与各种侧偏转光栅与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角相等。

2.根据权利要求1所述的光栅扩展互作用腔结构，其特征在于，当光栅周期数增多时，偏转角度组合角度种类也增加，且越远离弧面耦合腔中心纵线带状电子注输入侧部分的偏转光栅与弧面耦合腔传输方向中心轴线的夹角越小。

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