專利名稱：一種多頻分路太赫茲行波管倍頻器件的制作方法
技術領域：
本發明屬于真空電子器件領域，具體涉及到在頻率進入太赫茲頻段的一種多頻分路太赫茲行波管倍頻器件。
背景技術：
太赫茲(THz)波是于頻率范圍在100GHZ-3000GHZ的電磁波，太赫茲科學與技術在軍事、醫療、工業等領域具有很多潛在的應用，英、美、日等發達國家均將其視為重要的科技發展方向。太赫茲源的研發是最為基礎的工作，是開展太赫茲應用研究的前提和關鍵。真空電子器件高頻率、大功率的顯著特點預示了其具有填補太赫茲間隙(THz Gap)的能力。在微波電子學領域中，行波管(TWT)是一種重要的真空電子器件，圖1是已有技術中一支普通行波管的結構示意圖，由圖中可以看到這個器件總體結構包含如下7個部分，它們是:1電子槍，2輸入系統，3慢波結構，它可以采用包括螺旋線、耦合腔、折疊波導等各種慢波結構，4磁聚焦系統，5集中衰減器，6輸出系統，7收集極。該器件的工作原理概述為，電子槍組件中的陰極產生一束電子注，由聚焦系統維持一定的電子注形狀，通過慢波結構中的電子注通道；高頻電磁場通過輸入系統進入慢波結構中并以行波的方式傳輸，其基波的相速度與電子速度同步，電磁場通過注波互作用在電子注中獲得能量，被放大的基波信息通過輸出系統耦合出來，集中衰減器的作用是防止電磁波沿慢波結構反饋而引起不希望的自激振蕩，收集極則用來收集通過慢波結構后已經交出基波能量的電子。行波管具有寬頻帶、高增益、大動態范圍和低噪聲等特性，到目前為止，這種器件仍然是一種得到廣泛應用的真空電子器件，但是在進一步向太赫茲頻域的拓展中，行波管面臨著輸入功率驅動不足、精密零件加工困難、慢波結構高頻損耗大、器件互作用區域小、裝配工藝難以保證高流通率等技術難題。為了將行波管的應用范圍拓展到太赫茲頻域，需要站在高一層次思考這種真空電子器件的工作機理。在行波管中，電子注通過慢波結構和電磁波發生充分的注波互作用后，電子注中的基波信息得到放大并達到飽和，由于行波管的非線性工作方式，電子注的空間電荷波呈現出非正弦分布狀態，這說明此時的電子注除了含有被放大基波信息外，還有被同時放大的高次諧波信息。理論和實驗表明當行波管處在基波過飽和的狀態時，電子注的非線性特性得到加強，諧波信息也進一步增大。在傳統的行波管理論中，認為電子注中高頻率諧波的能量限制了行波管所專注的基波能量，降低了行波管工作頻率的輸出功率。因此，在過去的工作中，往往是致力于如何提高基波輸出功率，同時設法抑制以二次諧波為主的諧波功率，這一直都是寬頻帶行波管特別是倍頻程以上行波管的關鍵研究內容。而在當前的創新研究的理念中，則力求利用諧波，而不是去抑制它，基于行波管電子注內存在的大量諧波信息，利用電磁波對電子注調制的非線性來實現倍頻信息放大，不僅可行，而且具有優越的性能，如功率驅動的頻率低、工藝實現難度小、流通率高、輸出功率大、轉換增益(Conversion Gain)高等。根據太赫茲研究和應用對大功率福射源的需要,考慮到在頻率進入太赫茲頻域時直接研制行波管等傳統電真空器件的難度，本申請開發了這種創新的利用諧波實現倍頻的電真空器件。
發明內容
本發明需要解決的技術問題是，針對現有技術中，普通行波管的工作狀態是提高基波的輸出功率，同時抑制以二次諧波為主的諧波功率，在傳統的器件中，盡可能避免諧波這一不利因素破壞行波管性能參數。為了充分利用已存在于非線性電子注上的諧波信息，讓它發揮有益的作用，特考慮開發一種創新的利用諧波實現倍頻的器件。本發明的目的是提供一種多頻分路太赫茲行波管倍頻器件。為了實現本發明的目的，所采用的技術方案如下，一種多頻分路太赫茲行波管倍頻器件，包括處于真空狀態下的密封管殼，管殼的一端設有一把包含陰極、聚焦極和陽極的電子槍組件，電子槍出口處設有慢波結構，該結構浸沒在磁聚焦系統中，慢波結構的一端連有高頻輸入系統，另一端連有高頻輸出系統，高頻輸出系統之外設有收集極系統；慢波結構的中部設有集中衰減器，其特征在于，所述慢波結構要以增強諧波信息為目的，進行調整設計，并按照以下步驟進行調整設計:a)編程計算慢波結構 基波和諧波的色散曲線；b)改變慢波結構尺寸分析基波、諧波與工作電壓關系，直至實現基波、諧波與工作電壓同步；c)編程計算慢波結構基波和諧波的高頻損耗；d)編程計算慢波結構基波和諧波的耦合阻抗；e)利用多頻非線性軟件進行注波互作用模擬，基波和諧波的色散、軸線耦合阻抗以及高頻損耗均作為三維模擬的輸入，直至達到所需功率要求，如無法滿足則返回到b步驟；f)驗證增強諧波的設計，器件不存在自激振蕩，能夠正常工作，通過諧波放大獲得大功率太赫茲功率輸出；在高頻輸出系統的主路上輸出基波信息，基波信息起到器件工作狀態的監控作用后被匹配吸收，同時還連有I或N路(N=2，3，……)倍頻輸出系統，該倍頻輸出系統的每條支路將倍頻信息提取出來，由各自相應的高頻接口輸出。本發明的有益效果是，充分利用行波管中的諧波信息，利用器件內電磁波對電子注調制的非線性來實現倍頻放大，在現有的技術條件下獲得太赫茲大功率輸出。
圖1為已有技術中普通行波管結構示意圖；圖2為多頻分路太赫茲行波管倍頻器結構示意圖；圖3為本發明慢波結構的增強諧波設計流程圖；圖4是根據本發明一個實例的所用慢波結構為折疊波導的情況下，其基波頻率為90GHz時，完成增強二次諧波設計后，利用MATLAB軟件自編程序模擬得到的基波和諧波與工作電壓同步關系的最終結果圖；圖5是根據本發明一個實例的所用慢波結構為折疊波導的情況下，其基波頻率為90GHz時，完成增強二次諧波設計后，利用微波工作室套裝軟件(MTSS2010)仿真得到的基波和諧波輸出功率的最終結果圖；圖6是根據本發明一個實例的所用慢波結構為折疊波導的情況下，其基波頻率為90GHz時，完成增強二次諧波設計后，利用微波工作室套裝軟件(MTSS2010)仿真得到的基波增益和二次諧波轉換增益的最終結果圖。
具體實施例方式參照圖1，表示傳統使用的一支普通行波管結構示意圖，圖中，為一支于真空密封狀態下的行波管，I為端部的電子槍，組件中含有陰極、聚焦極和陽極，電子槍出口處設有慢波結構3，慢波結構的兩端部分分別是高頻輸入系統2和高頻輸出系統6，慢波結構浸沒在磁聚焦系統4的包圍中，集中衰減器5設置在慢波結構中部，它的具體位置在參數設計中確定，在慢波結構的末端設有收集極7。參照圖2，表示本設計多頻分路太赫茲行波管倍頻器件結構示意圖，與已知技術相t匕，本技術方案中，I為端部的電子槍，組件中含有陰極、聚焦極和陽極，電子槍出口處設有慢波結構3，能夠保證注互作用后諧波信息最大化，慢波結構的兩端部分分別是實現基波功率輸入的高頻輸入系統2和包含頻率分路器的高頻輸出系統6，其主路輸出基波信息，基波信息起到器件工作狀態的監控作用后被匹配吸收，I或N (N=2,3,……)個支路分別輸出實際應用的諧波信息，慢波結構浸沒在磁聚焦系統4的包圍中，集中衰減器5設置在慢波結構中部，它的具體位置在參數設計中確定，在慢波結構的末端設有收集極7。參照圖3，表示本發明慢波結構的增強諧波設計流程圖，圖中表示按照以下步驟進行設計: a.編程計算慢波結構基波和諧波的色散曲線；b.改變慢波結構尺寸分析基波、諧波與工作電壓關系，直至實現基波、諧波與工作電壓同步；c.編程計算慢波結構基波和諧波的高頻損耗；d.編程計算慢波結構基波和諧波的耦合阻抗；e.利用多頻非線性軟件進行注波互作用模擬，基波和諧波的色散、軸線耦合阻抗以及高頻損耗均作為三維模擬的輸入，直至滿足要求，如無法滿足則返回到b步驟；f.驗證增強諧波的設計，器件不存在自激振蕩，能夠正常工作，通過諧波放大獲得大功率太赫茲功率輸出。參照圖4，是根據本發明一個實例的所用慢波結構為折疊波導的情況下，其基波頻率為90GHz時，完成增強二次諧波設計后，利用MATLAB軟件自編程序模擬得到的基波和二次諧波與工作電壓同步關系的最終結果圖，基波的相光速比為0.2640，二次諧波的相光速比為0.2646，通過選取合適的工作電壓容易實現基波、二次諧波與工作電壓同步。參照圖5，根據本發明一個實例的所用慢波結構為折疊波導的情況下，其基波頻率為90GHz時，完成增強二次諧波設計后，利用微波工作室套裝軟件(MTSS2010)仿真得到的基波和二次諧波輸出功率的最終結果圖，此時基波的軸線耦合阻抗為4.4，二次諧波的軸線耦合阻抗為0.012，二次諧波的高頻損耗設置與基波相同，基波高頻損耗數值得到了實測數據的驗證，理論表明在此慢波結構中二次諧波高頻損耗小于基波高頻損耗。三維模擬結果顯示，基波工作在過飽和狀態，輸出功率為91.36W，二次諧波輸出功率為2.35W，該數值比目前工作在該頻段的返波振蕩器功率大100倍。參照圖6，根據本發明一個實例的所用慢波結構為折疊波導的情況下，其基波頻率為90GHz時，完成增強二次諧波設計后，利用微波工作室套裝軟件(MTSS2010)仿真得到的基波增益和二次諧波轉換增益的最終結果圖。三維模擬結果顯示，基波增益為41.83dB，二次諧波的轉換增益達到25.94dB。由此可見，具體實施本發明所給出的技術設計方案，證明了其理論正確和性能優越。
權利要求
1.一種多頻分路太赫茲行波管倍頻器件，包括處于真空狀態下的密封管殼，管殼的一端設有一把包含陰極、聚焦極和陽極的電子槍組件，電子槍出口處設有慢波結構，該結構浸沒在磁聚焦系統中，慢波結構的一端連有高頻輸入系統，另一端連有高頻輸出系統，高頻輸出系統之外設有收集極系統；慢波結構的中部設有集中衰減器，其特征在于，所述慢波結構要以增強諧波信息為目的，進行調整設計，并按照以下步驟進行調整設計: a)編程計算慢波結構基波和諧波的色散曲線； b)改變慢波結構尺寸分析基波、諧波與工作電壓關系，直至實現基波、諧波與工作電壓同步； c)編程計算慢波結構基波和諧波的高頻損耗； d)編程計算慢波結構基波和諧波的耦合阻抗； e)利用多頻非線性軟件進行注波互作用模擬，基波和諧波的色散、軸線耦合阻抗以及高頻損耗均作為三維模擬的輸入，直至滿足要求，如無法滿足則返回到b步驟繼續操作； f)驗證增強諧波的設計，器件不存在自激振蕩，能夠正常工作，通過諧波放大獲得大功率太赫茲功率輸出； 在高頻輸出系統的主路上輸出用于監控工作狀態的基波信息，該信息將被匹配吸收，同時還連有I或N路(N=2，3，……)倍頻輸出系統，該倍頻輸出系統的每條支路將倍頻信息提取出來，由各自相應 的高頻接口輸出。
全文摘要
一種多頻分路太赫茲行波管倍頻器件，屬于真空電子器件領域，包括處于真空狀態下的密封管殼，包含電子槍，慢波結構，磁聚焦系統，高頻輸入/輸出系統，收集極和集中衰減器，所述慢波結構要以增強諧波信息為目的，進行調整設計，并按照步驟進行調整設計，所述輸出系統實現基波和諧波的分路輸出，基波將被匹配吸收，諧波為實際應用信息本發明充分利用行波管中的諧波信息，利用器件內電磁波對電子注調制的非線性來實現倍頻放大。
文檔編號H01J23/24GK103137398SQ20131002358
公開日2013年6月5日 申請日期2013年1月22日 優先權日2013年1月22日
發明者蔡軍, 馮進軍, 鄔顯平 申請人:中國電子科技集團公司第十二研究所