CN115881496B - 一种高频结构及扩展互作用速调管 - Google Patents

Abstract

一种高频结构及扩展互作用速调管，该高频结构包括依次连通的若干周期单元、以及贯穿若干周期单元的电子注通道，所述周期单元包括光栅间隙，所述光栅间隙的两端连接有耦合腔，所述光栅间隙内设置有压缩区，所述压缩区用于增强所述电子注通道处的电场。本发明提供的EIK采用了具有压缩区的高频结构，压缩区能够汇聚电场能量到注波互作用区域，增加高频结构的R/Q，提高注波互作用能力，可以有效地提升EIK的增益，同时，交错分布的耦合槽能够更好地聚集电场，并且可以进一步提高EIK的带宽，使得EIK在太赫兹波段具有高增益、宽频带的性能。

Description

一种高频结构及扩展互作用速调管

技术领域

本发明涉及物理电子学和太赫兹技术领域，具体涉及一种能够将电场能量聚集于电子注通道的高频结构、以及采用了该慢波结构的扩展互作用速调管。

背景技术

太赫兹波是介于红外与毫米波之间的一种电磁辐射，由于其自身独特的性质，在生物医学、航空航天和雷达等领域具有至关重要的研究和应用价值。

扩展互作用速调管(EIK)是一类紧凑型、小型化辐射源，被认为结合了速调管高增益、高效率和行波管宽带宽的优势。但在太赫兹频段，对EIK的研究还处于起步阶段。

专利CN114639581A公开了一种扩展互作用速调管的高频电路，其采用两个对称电子注的结构工作，通过优化电子注通道间的距离能够抑制非工作模式，从而实现单模稳定工作。然而，传统的EIK的高频结构中，电场能量通常汇聚于注波互作用区域的四周，造成电子注通道内电场能量低、注波互作用能力弱、高频结构R/Q(特性阻抗)低等问题，最终导致EIK的多项性能指标并不能满足太赫兹技术发展的需求。

因此，有必要设计能够将电场能量聚集于电子注通道的高频结构，以提升EIK的增益。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种高频结构，所述高频结构通过在其各周期单元内的光栅间隙中设置挡块，使得光栅间隙的两端形成横截面积更小的压缩区，利用压缩区横截面的收窄将电场能量聚集于光栅间隙中心的电子注通道，从而大幅地增加高频结构的R/Q，提高注波互作用能力。

本发明目的通过下述技术方案实现：

一种高频结构，包括依次连通的若干周期单元、以及贯穿若干周期单元的电子注通道，所述周期单元包括光栅间隙，所述光栅间隙的两端连接有耦合腔，所述光栅间隙内设置有压缩区，所述压缩区用于增强所述电子注通道处的电场。

本技术方案中，与现有技术相同的是，该高频结构包括一个或多个周期单元，各周期单元依次连通。每个周期单元均包括光栅间隙、以及连接在光栅间隙两端的两个耦合腔。相邻的两个周期单元的耦合腔之间通过耦合槽连通。电子注通道依次贯通各周期单元的光栅间隙，并于光栅间隙的中心区域形成注波互作用区域。在一个或多个实施例中，相邻两个周期单元之间的耦合槽数量可以有至少两个，至少两个耦合槽可以分别位于光栅间隙两端，也可以均位于光栅间隙的同一端；相邻两个周期单元之间的耦合槽数量也可以仅为一个。

本技术方案中，与现有技术不同的是，光栅间隙内设置有能够压缩电场的压缩区，其能够将光栅间隙内的电场能量汇聚在注波互作用区域，进而增强高频结构的R/Q，提高注波互作用能力，最终有效地提升扩展互作用速调管的增益。

压缩区的设置方式有多种。本技术方案中，通过在光栅间隙内设置挡块，使得光栅间隙内设置有挡块的压缩区的横截面积小于光栅间隙内未设置挡块的区域的横截面积。在部分优选的实施例中，挡块单独地或成对地设置在光栅间隙的两端，也即光栅间隙与耦合腔连通的两个端部，进而在光栅间隙与耦合腔连通的两个端部形成横截面积更小的压缩区，压缩区起到了压缩电场的作用，使得光栅间隙内的电场能量能够汇聚于电子注通道，提高注波互作用能力。

本技术方案中，光栅间隙中的压缩区仅减小了沿一个耦合腔到另一个耦合腔方向的横截面积，但挡块的增设并未减小压缩区的厚度，也即压缩区的厚度等于光栅间隙的厚度S，使得压缩区均匀地压缩电场，有利于在光栅间隙内，尤其是在电子注通道形成均匀分布的电场。

本技术方案中，光栅间隙与耦合腔直接连接，无需额外地增设耦合孔。在部分实施例中，光栅间隙与耦合腔之间也可以增设第一耦合孔以耦合电场。

通过上述设置，光栅间隙内设置的压缩区能够压缩电场，利用压缩区横截面的收窄将电场能量聚集于光栅间隙中心的电子注通道，进而增强高频结构的R/Q，提高注波互作用能力，最终有效地提升扩展互作用速调管的增益。

进一步地，所述光栅间隙通过所述压缩区与所述耦合腔连通。在一个或多个实施例中，位于光栅间隙两端的两个压缩区的尺寸可以相同也可以不同，优选地，两个尺寸相同的压缩区对称地设置于光栅间隙的两端。通过在光栅间隙的两端均设置压缩区，能够更均匀地压缩电场，进一步提高电子注通道处的注波互作用能力。

进一步地，所述光栅间隙中的各压缩区的长度与电子注通道的长度之和等于所述光栅间隙的长度。本技术方案中，沿一个耦合腔到另一个耦合腔的方向，光栅间隙内的各压缩区的长度L3与电子注通道的长度L2之和，等于光栅间隙的长度L1。也即电子注通道沿长度方向的边缘与压缩区靠近电子注通道的边缘共线。该设置方式大幅地减少了压缩区与电子注通道之间的区域，能够进一步压缩电场，显著地提高电子注通道内的注波互作用能力，增强高频结构的R/Q。

进一步地，所述压缩区的宽度与所述光栅间隙的宽度的比例为0.82～0.88。压缩区的宽度W1与光栅间隙的宽度W2密切相关。压缩区的宽度若过大，则电子注通道处聚集的电场增幅较弱。压缩区的宽度减小有利于电场聚集在电子注通道互作用区域，增加R/Q值，但如果电场过于集中在互作用区域，会导致能量提取困难、电场难以耦合输出。对此，本技术方案中，优选将压缩区的宽度W1与光栅间隙的宽度W2的比例设置为0.82～0.88，进一步优选地，压缩区的宽度W1与光栅间隙的宽度W2的比例为0.85～0.87。

作为本发明的一种优选实施方式，还包括耦合槽，所述耦合槽连通相邻的两个周期单元的耦合腔，且沿所述电子注通道的延伸方向，相邻的两个耦合槽位于所述光栅间隙的不同侧。

本技术方案中，相邻的两个周期单元的耦合腔之间设置的耦合槽用于连通两个周期单元，但沿着电子注通道延伸的方向，相邻的两个耦合槽位于光栅间隙的不同侧。例如，沿电子注通道延伸的方向，第一周期单元和第二周期单元之间连接有一个或多个第一耦合槽，所有的第一耦合槽位于光栅间隙的上方，第二周期单元和第三周期单元之间连接有一个或多个第二耦合槽，所有的第二耦合槽位于光栅间隙的下方。类似地，第三周期单元和第四周期单元之间的所有第三耦合槽又位于光栅间隙的上方，以此类推形成交替分布的耦合槽。在一个或多个实施例中，相邻的两个周期单元之间仅设置一个耦合槽。

相较于现有技术中，相邻两个周期单元之间在光栅间隙两端均设置耦合槽的方式，本技术方案能够更好地将电场聚集于耦合腔内，进而使得经压缩区压缩后，电场能够更加均匀地汇聚于电子注通道处，进一步提高电子注通道内的注波互作用能力。

耦合槽的尺寸的会影响工作模式与相邻模式的频率间隔，频率间隔过小将导致EIK带宽降低，并且可能引起模式竞争，使EIK工作不稳定。

在本发明部分优选的实施例中，所述耦合槽的宽度为0.65～0.80mm，优选地，所述耦合槽的宽度cx为0.70～0.75mm，进一步优选地，所述耦合槽的宽度cx为0.75mm。所述耦合槽的长度cy为0.07～0.14mm，优选地，所述耦合槽的长度cy为0.80～0.11mm，进一步优选地，所述耦合槽的长度cy为0.1mm。通过对耦合槽的尺寸的设置，能够有效地增加EIK带宽、保证EIK工作的稳定性。

高频结构的周期单元数量对R/Q以及工作模式与相邻模式的频率间隔将产生影响。周期数过多，工作模式与相邻模式之间的频率频率间隔太小，使得EIK的带宽过窄；而周期数过少时R/Q过小，导致粒子束与波的互作用强度过低，使得EIK的增益降低。本技术方案中，优选地，高频结构中的周期单元的数量为2～4个，进一步优选地，高频结构中的周期单元的数量为3个。

本发明的另一个目的在于提供一种扩展互作用速调管，该扩展互作用速调管的输入腔、中间腔、输出腔均采用了前述的任一种高频结构，利用高频结构能够汇集电场能量于电子注通道的特点，能够有效地提高EIK的增益。

本发明目的通过下述技术方案实现：

一种扩展互作用速调管，包括依次连通的输入腔、若干中间腔和输出腔，所述输入腔、中间腔、输出腔均包括前述任一种高频结构，其中，所述输入腔、输出腔的高频结构通过第二耦合孔连通有波导。

本技术方案中，扩展互作用速调管的输入腔和输出腔均设置有标准波导，标准波导通过第二耦合孔与高频结构的一个周期单元的耦合腔连通。

工作时，输入信号通过标准波导进入输入腔的高频结构，在输入腔高频结构的光栅间隙中产生高频电压，电子注通道中移动的粒子束在经过光栅间隙时，受到加速或减速的影响，速度发生变化而产生速度调制，然后进入漂移管，由于惯性运动而发生密度调制，产生群聚现象，随后粒子束经过中间腔，激起高频电场，与电场进一步发生相互作用，电场对粒子束又进行速度调制，加深调制深度，最终在输出腔中，达到最佳调制深度的群聚的粒子束在减速场释放能量，通过标准波导耦合输出。

本技术方案中，利用输入腔、输出腔和中间腔中的高频结构，高频结构中各周期单元的压缩区能够汇聚电场能量到注波互作用区域，增加高频结构的R/Q，提高注波互作用能力，可以有效地提升EIK的增益，同时，交错分布的耦合槽能够更好地聚集电场，并且可以进一步提高EIK的带宽，使得EIK在太赫兹波段具有高增益、宽频带的性能。

进一步地，所述中间腔的数量为2～5个。优选地，中间腔的数量为3-4个。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的高频结构中，光栅间隙内设置的压缩区能够压缩电场，利用压缩区横截面的收窄将电场能量聚集于光栅间隙中心的电子注通道，进而增强高频结构的R/Q，提高注波互作用能力，最终有效地提升扩展互作用速调管的增益；

2、本发明光栅间隙中的各压缩区的长度与电子注通道的长度之和等于所述光栅间隙的长度，大幅地减少了压缩区与电子注通道之间的区域，能够进一步压缩电场，显著地提高电子注通道内的注波互作用能力，增强高频结构的R/Q；

3、本发明通过设置压缩区与光栅间隙的宽度比，使得电子注通道聚集的电场增幅适宜，解决了电场过于集中在互作用区域导致的能量提取困难、电场难以耦合输出的问题；

4、本发明提供的EIK采用了具有压缩区的高频结构，压缩区能够汇聚电场能量到注波互作用区域，增加高频结构的R/Q，提高注波互作用能力，可以有效地提升EIK的增益，同时，交错分布的耦合槽能够更好地聚集电场，并且可以进一步提高EIK的带宽，使得EIK在太赫兹波段具有高增益、宽频带的性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明具体实施例中高频结构的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中高频结构的真空结构的示意图；

图3为本发明具体实施例中未设置耦合孔的高频结构的第一截面的剖视示意图；

图4为本发明具体实施例中未设置耦合孔的高频结构的第二截面的剖视示意图；

图5为本发明具体实施例中设置有耦合孔的高频结构的第一截面的剖视示意图；

图6为本发明具体实施例中沿图3中A-A线的横向电场幅值图；

图7为本发明具体实施例中高频结构的周期单元的数量对R/Q以及工作模式与两边相邻模式的频率间隔的影响关系图；

图8为本发明具体实施例中高频结构的耦合槽长度对工作模式与两边相邻模式的频率间隔的影响关系图；

图9为本发明具体实施例中高频结构的耦合槽宽度对工作模式与两边相邻模式的频率间隔的影响关系图；

图10为本发明具体实施例中EIK的输入腔或输出腔的局部剖视示意图；

图11为本发明具体实施例中输入、输出腔的S11参数与频率的关系图；

图12为本发明具体实施例中EIK的结构示意图；

图13为本发明具体实施例中频率为231.3GHz时EIK的输出功率；

图14为本发明具体实施例中频率为231.3GHz时EIK的输出信号频谱图；

图15为本发明具体实施例中EIK增益随频率变化关系图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-光栅间隙，2-压缩区，3-耦合腔，4-耦合槽，5-电子注通道，6-波导，7-第二耦合孔，8-输入腔，9-输出腔，10-中间腔，11-第一耦合孔，12-挡块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”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装置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保护范围的限制。

实施例1：

如图1至图4所示的一种高频结构，包括依次连通的若干周期单元、以及贯穿若干周期单元的电子注通道5，所述周期单元包括光栅间隙1，所述光栅间隙1的两端连接有耦合腔3，所述光栅间隙1内设置有压缩区2，所述压缩区2用于增强所述电子注通道5处的电场。

在部分优选的实施例中，挡块单独地或成对地设置在光栅间隙的两端，也即光栅间隙与耦合腔连通的两个端部，进而在光栅间隙与耦合腔连通的两个端部形成横截面积更小的压缩区，压缩区起到了压缩电场的作用，使得光栅间隙内的电场能量能够汇聚于电子注通道，提高注波互作用能力。优选地，如图3所示，光栅间隙1的四个角均设置有挡块12，进而在光栅间隙1的两端形成了压缩区2，所述光栅间隙1通过所述压缩区2与所述耦合腔3连通。在一个或多个实施例中，位于光栅间隙两端的两个压缩区的尺寸也可以不同。通过在光栅间隙的两端均设置压缩区，如图6所示，能够更均匀地压缩电场，进一步提高电子注通道处的注波互作用能力。

在一个或多个实施例中，所述挡块与高频结构壳体可以是一体式结构，也可以是独立的部件。在一个或多个实施例中，可以仅在光栅间隙的一端设置压缩区，另一端不设置挡块。

本实施例中，光栅间隙内设置的压缩区能够压缩电场，利用压缩区横截面的收窄将电场能量聚集于光栅间隙中心的电子注通道，进而增强高频结构的R/Q，提高注波互作用能力，最终有效地提升扩展互作用速调管的增益。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图3所示，所述光栅间隙1中的各压缩区2的长度L3与电子注通道5的长度L2之和等于所述光栅间隙1的长度L1。该设置方式大幅地减少了压缩区与电子注通道之间的区域，能够进一步压缩电场，显著地提高电子注通道内的注波互作用能力，增强高频结构的R/Q。

压缩区的宽度W1与光栅间隙的宽度W2密切相关。压缩区的宽度若过大，则电子注通道处聚集的电场增幅较弱。压缩区的宽度减小有利于电场聚集在电子注通道互作用区域，增加R/Q值，但如果电场过于集中在互作用区域，会导致能量提取困难、电场难以耦合输出。在部分优选的实施例中，所述压缩区2的宽度与所述光栅间隙1的宽度的比例为0.82～0.88。进一步优选地，压缩区的宽度W1与光栅间隙的宽度W2的比例为0.85～0.87。

实施例3：

在上述实施例的基础上，如图5所示，光栅间隙1和耦合腔3之间还设置有第一耦合孔11。

实施例4：

在上述实施例的基础上，如图1至图4所示，还包括耦合槽4，所述耦合槽4连通相邻的两个周期单元的耦合腔3，且沿所述电子注通道5的延伸方向，相邻的两个耦合槽4位于所述光栅间隙1的不同侧。

本实施例通过将相邻的两个耦合槽4设置在光栅间隙1的不同侧，能够更好地将电场聚集于耦合腔内，进而使得经压缩区压缩后，电场能够更加均匀地汇聚于电子注通道处，进一步提高电子注通道内的注波互作用能力。

在一个或多个实施例中，相邻两个周期单元之间的、位于光栅间隙同一侧的耦合槽的数量可以为至少两个。

耦合槽的尺寸的会影响工作模式与相邻模式的频率间隔，频率间隔过小将导致EIK带宽降低，并且可能引起模式竞争，使EIK工作不稳定。耦合槽长度和宽度对频率间隔的影响如图8、图9所示，为增加EIK带宽、保证EIK工作的稳定性，耦合槽4的宽度cx为0.65～0.80mm，耦合槽4的长度cy为0.07～0.14mm。优选地，耦合槽4的宽度cx为0.70～0.75mm，进一步优选地，耦合槽4的宽度cx为0.75mm；优选地，耦合槽4的长度cy为0.80～0.11mm，进一步优选地，耦合槽4的长度cy为0.1mm。

高频结构的周期单元数量对R/Q以及工作模式与相邻模式的频率间隔将产生影响。图7示出了周期数对R/Q以及工作模式与相邻模式的频率间隔的影响，在部分优选的实施例中，所述周期单元的数量为2～4个。优选地，高频结构中的周期单元的数量为3个。

实施例5：

在上述实施例的基础上，如图10和图12所示的一种扩展互作用速调管，包括依次连通的输入腔8、若干中间腔10和输出腔9，所述输入腔8、中间腔10、输出腔9均包括前述任一实施例中的高频结构，其中，所述输入腔8、输出腔9的高频结构通过第二耦合孔7连通有波导6。

工作时，输入信号通过标准波导进入输入腔的高频结构，在输入腔高频结构的光栅间隙中产生高频电压，电子注通道中移动的粒子束在经过光栅间隙时，受到加速或减速的影响，速度发生变化而产生速度调制，然后进入漂移管，由于惯性运动而发生密度调制，产生群聚现象，随后粒子束经过中间腔，激起高频电场，与电场进一步发生相互作用，电场对粒子束又进行速度调制，加深调制深度，最终在输出腔中，达到最佳调制深度的群聚的粒子束在减速场释放能量，通过标准波导耦合输出。

在一个或多个实施例中，所述中间腔10的数量为2～5个。优选地，中间腔的数量为3-4个。

在部分优选的实施例中，EIK的高频结构工作在TM11-2π模式，TM11-2π模式具有高特性阻抗的特点，使得粒子束与波的相互作用增强。

通过时域仿真，得到S11曲线如图11所示，中心频率为232.2GHz，小于-5dB的频率范围大于1.1GHz，输入信号在此频率范围为反射较小，满足宽频带的要求。

输入信号频率为231.3GHz，输入功率为20mW，粒子束电压为13.2KV、电流为0.3A，通过PIC粒子模拟，模拟结果如图13至图15所示，输出功率为158W，EIK增益为38.8dB，3dB带宽为1.28GHz，表明采用了EIK在太赫兹波段具有高增益、宽频带的性能。

本文中所使用的“第一”、“第二”等(例如第一耦合孔、第二耦合孔等)只是为了描述清楚起见而对相应部件进行区别，不旨在限制任何次序或者强调重要性等。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高频结构，包括依次连通的若干周期单元、以及贯穿若干周期单元的电子注通道（5），所述周期单元包括光栅间隙（1），所述光栅间隙（1）的两端连接有耦合腔（3），其特征在于，所述光栅间隙（1）内设置有压缩区（2），所述光栅间隙（1）通过所述压缩区（2）与所述耦合腔（3）连通，所述压缩区（2）的设置方式为通过在所述光栅间隙（1）内设置挡块（12），使得光栅间隙（1）内设置有挡块（12）的压缩区（2）的横截面积小于光栅间隙（1）内未设置挡块（12）的区域的横截面积，所述压缩区（2）用于增强所述电子注通道（5）处的电场。

2.根据权利要求1所述的一种高频结构，其特征在于，所述光栅间隙（1）中的各压缩区（2）的长度与电子注通道（5）的长度之和等于所述光栅间隙（1）的长度。

3.根据权利要求1所述的一种高频结构，其特征在于，所述压缩区（2）的宽度与所述光栅间隙（1）的宽度的比例为0.82~0.88。

4.根据权利要求1所述的一种高频结构，其特征在于，还包括耦合槽（4），所述耦合槽（4）连通相邻的两个周期单元的耦合腔（3），且沿所述电子注通道（5）的延伸方向，相邻的两个耦合槽（4）位于所述光栅间隙（1）的不同侧。

5.根据权利要求4所述的一种高频结构，其特征在于，所述耦合槽（4）的宽度为0.65~0.80 mm。

6.根据权利要求4所述的一种高频结构，其特征在于，所述耦合槽（4）的长度为0.07~0.14 mm。

7.根据权利要求1~6中任一项所述的一种高频结构，其特征在于，所述周期单元的数量为2~4个。

8.一种扩展互作用速调管，包括依次连通的输入腔（8）、若干中间腔（10）和输出腔（9），其特征在于，所述输入腔（8）、中间腔（10）、输出腔（9）均包括权利要求1~7中任一项所述的高频结构，其中，所述输入腔（8）、输出腔（9）的高频结构通过第二耦合孔（7）连通有波导（6）。

9.根据权利要求8所述的一种扩展互作用速调管，其特征在于，所述中间腔（10）的数量为2~5个。