一種0.34THz行波管的制作方法

本實用新型涉及微波真空電子器件領域，具體地說涉及一種0.34THz行波管。

背景技術：

隨著科學技術的發展，在無線通信領域低頻段的頻譜資源日益短缺，急需向更高頻段拓展，太赫茲波是指頻率在10¹¹Hz至10¹³Hz范圍內的電磁波，其頻率是微波的幾十至幾百倍，能夠容納的信道容量相比微波頻段要多得多，特別適合于寬帶高速無線數據通信。對于雷達系統來說，由于太赫茲波的載波頻率高，波長短，其對運動目標進行探測時的多普勒頻移相比微波來說更大，可以實現更高的成像分辨率以及更精確的定位。為了拓展太赫茲應用系統的作用距離，最為簡單有效的途徑是提高系統中信號發射源的輸出功率；此外，為了獲得較高的通信速率以及成像分辨率，系統又要求信號發射源具備足夠的帶寬，目前信號源的現有水平已制約了太赫茲技術的發展，急需提高太赫茲源的整體性能。

行波管廣泛地應用于電子對抗、雷達系統以及衛星通信等領域。行波管的基本工作原理，是利用陰極發射出來的直流電子注與電磁場發生相互作用，電子注產生群聚現象并進行能量交換，將電子直流能量轉化為高頻微波能量進行輸出，形成信號放大器的功能。相比于固態微波放大器，行波管放大器具有大功率、寬頻帶、高效率、高增益等特點，在很多場合下是固態微波放大器所無法替代的。

頻率0.34THz附近存在一個大氣傳輸窗口，其中THz是一個頻率的單位，為10¹²Hz。該頻段太赫茲波的大氣傳輸衰減相比臨近頻段更小，對于太赫茲應用系統來說，0.34THz是一個理想的載波信號頻率。工作頻率為0.34THz的遠距離太赫茲應用系統需要0.34THz行波管作為末級放大器為系統提供大功率寬帶載波信號，而現有的0.34THz行波管輸出功率只能達到約40mW，無法滿足該頻段太赫茲應用系統的需求。

技術實現要素：

針對現有技術的種種不足，為了解決上述問題，現提出一種0.34THz行波管，該行波管的帶寬達到2GHz，增益達到20dB，輸出功率達到130mW，可以滿足0.34THz頻段太赫茲應用系統的需求。

為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：

一種0.34THz行波管，包括電子槍、慢波結構、輸能窗、磁聚焦系統以及收集極，所述慢波結構采用折疊波導結構，其參數包括波導寬邊長度a、波導窄邊長度b、半周期長度p、直波導長度h、彎曲波導半徑r_avg以及電子束通道半徑r_t，其中，波導寬邊長度a為0.5mm±0.02mm，波導窄邊長度b為0.08mm±0.02mm，半周期長度p為0.14mm±0.02mm，直波導長度h為0.21mm±0.02mm，彎曲波導半徑r_avg為0.02mm±0.01mm，電子束通道半徑r_t為0.09mm±0.01mm；

所述輸能窗采用盒型窗結構，包括窗體和設于窗體內的窗片，所述窗片的厚度為0.1mm±0.02mm，直徑為1.8mm±0.05mm，所述窗片的上下兩端面各連接有一個圓柱諧振腔，所述圓柱諧振腔的直徑為1.2mm±0.05mm，高度為0.1mm±0.05mm，所述窗片外徑與圓柱諧振腔外徑的同心度在0.01mm以內，所述兩圓柱諧振腔外端各連接一段矩形波導，所述矩形波導為WR2.8標準波導。

進一步，所述慢波結構采用無氧銅材料制備而成，采用微銑削工藝或者UV-LIGA工藝進行加工，加工的表面粗糙度優于200nm。

進一步，所述慢波結構的總長度為200至300倍半周期長度。

進一步，所述窗體采用彌散無氧銅制備而成，所述窗片為藍寶石窗片。

進一步，所述電子槍包括陰極、聚焦極和陽極，所述電子槍的直徑為30mm±5mm，長度為60mm±5mm，所述陰極電位設置在-17000V，所述陰極發射面直徑為0.5mm至1mm，所述陰極外徑與陽極外徑的同心度在0.02mm以內。

進一步，所述行波管工作時，所述電子槍的設置參數包括：電子束射程為10mm至15mm，電子束的束腰半徑為0.04mm至0.08mm，電子束的電流為10mA至30mA。

進一步，所述磁聚焦系統采用周期永磁聚焦結構，磁場的周期性峰值為4000Gs至5000Gs，磁場的周期長度為7mm±1mm。

進一步，所述收集極采用一級降壓收集極，包括電子吸收體、高壓接線極和外筒，所述電子吸收體設于外筒內，所述電子吸收體與外筒之間設有電子吸收體絕緣陶瓷，所述高壓接線極設置在外筒尾端，所述高壓接線極與外筒之間設置有接線極絕緣陶瓷。

進一步，所述外筒的外徑為40mm±5mm，所述外筒的外長為80mm±5mm。

進一步，所述電子吸收體的內徑為20mm±5mm，所述電子吸收體的電位設置在-7000V，所述外筒內徑與電子吸收體內徑的同心度在0.05mm以內。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型提供的0.34THz行波管設置的慢波結構為折疊波導結構，其波導寬邊長度a為0.5mm±0.02mm，波導窄邊長度b為0.08mm±0.02mm，半周期長度p為0.14mm±0.02mm，直波導長度h為0.21mm±0.02mm，彎曲波導半徑r_avg為0.02mm±0.01mm，電子束通道半徑r_t為0.09mm±0.01mm，提高了束-波互作用的耦合阻抗，在中心頻率0.34THz處，耦合阻抗由現有的1.2Ω提高至1.8Ω；設置的輸能窗的窗片的厚度為0.1mm±0.02mm，直徑為1.8mm±0.05mm，圓柱諧振腔的直徑為1.2mm±0.05mm，高度為0.1mm±0.05mm，窗片外徑與圓柱諧振腔外徑的同心度在0.01mm以內，從而降低了輸能窗的駐波比，輸能窗的在中心頻率0.34THz處的駐波比由現有的2降低至1.4，通過對慢波結構和輸能窗進行的改進，提高了0.34THz行波管的輸出功率，其帶寬達到2GHz，增益達到20dB，輸出功率達到130mW，滿足太赫茲雷達以及太赫茲通信系統當中對于行波管放大器的要求。

附圖說明

圖1是本實用新型的整體結構示意圖；

圖2是本實用新型的慢波結構關鍵結構參數示意圖；

圖3是本實用新型的輸能窗結構示意圖；

圖4是本實用新型的電子槍結構示意圖；

圖5是本實用新型的收集極結構示意圖。

附圖中：1-電子槍，11-陰極，12-聚焦極，13-陽極，2-慢波結構，3-輸能窗，31-窗片，32-圓柱諧振腔，33-矩形導波，4-磁聚焦系統，5-收集極，51-電子吸收體，52-吸收體絕緣陶瓷，53-外筒，54-高壓接線極，55-接線極絕緣陶瓷。

具體實施方式

為了使本領域的人員更好地理解本實用新型的技術方案，下面結合本實用新型的附圖，對本實用新型的技術方案進行清楚、完整的描述，基于本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的其它類同實施例，都應當屬于本申請保護的范圍。

考慮到工作頻率為0.34THz的遠距離太赫茲應用系統需要0.34THz行波管作為末級放大器為系統提供大功率寬帶載波信號，而現有的0.34THz行波管輸出功率只能達到約40mW，無法滿足該頻段太赫茲應用系統的需求。基于此，本實用新型實施例提供了一種輸出功率達130mW的0.34THz行波管，如圖1所示的0.34THz行波管的結構示意圖，該行波管由電子槍1、慢波結構2、輸能窗3、磁聚焦系統4和收集極組成。

其中，如圖2所示的慢波結構關鍵結構參數示意圖，所述慢波結構2采用折疊波導結構，所述慢波結構2采用無氧銅材料制備而成，采用微銑削工藝或者UV-LIGA工藝進行加工，加工的表面粗糙度優于200nm，所述慢波結構2的總長度為200至300倍半周期長度，所述慢波結構2的參數包括波導寬邊長度a、波導窄邊長度b、半周期長度p、直波導長度h、彎曲波導半徑r_avg以及電子束通道半徑r_t，其中，波導寬邊長度a為0.5mm±0.02mm，波導窄邊長度b為0.08mm±0.02mm，半周期長度p為0.14mm±0.02mm，直波導長度h為0.21mm±0.02mm，彎曲波導半徑r_avg為0.02mm±0.01mm，電子束通道半徑r_t為0.09mm±0.01mm。

上述慢波結構2與現有慢波結構相比，主要改進之處在于，通過對慢波結構關鍵結構參數的優化提高了束-波互作用的耦合阻抗，在中心頻率0.34THz處，耦合阻抗由現有的1.2Ω提高至1.8Ω，從而提高了輸出功率。

考慮到輸能窗3的反射過大，在高功率條件下返回到行波管的功率增大，過大的反射將會引起工作模式和寄生模式的振蕩，從而導致波-注互作用效率降低和輸出模式純度變差，甚至使行波管不能正常工作，基于此，如圖3所示的輸能窗結構示意圖，所述輸能窗3采用盒型窗結構，包括窗體和設于窗體內的窗片31，所述窗體采用彌散無氧銅制備而成，所述窗片31為藍寶石窗片，所述窗片31的厚度為0.1mm±0.02mm，直徑為1.8mm±0.05mm，所述窗片31的上下兩端面各連接有一個圓柱諧振腔32，所述圓柱諧振腔32的直徑為1.2mm±0.05mm，高度為0.1mm±0.05mm，所述窗片31外徑與圓柱諧振腔32外徑的同心度在0.01mm以內，所述兩圓柱諧振腔32外端各連接一段矩形波導33，所述矩形波導33為WR2.8標準波導。

上述輸能窗3與現有輸能窗相比，主要改進之處在于，通過對輸能窗結構以及尺寸的優化，降低了輸能窗3的電壓駐波比，所述輸能窗3在中心頻率0.34THz處的電壓駐波比由現有的2降低至1.4，降低了輸能窗3的反射，提高了能量耦合輸出效率。

如圖4所示的電子槍結構示意圖，電子槍1采用三極結構，包括陰極11、聚焦極12和陽極13，在上述行波管的基礎上，本實施例的電子槍1的直徑為30mm±5mm，長度為60mm±5mm，所述陰極11電位設置在-17000V，所述陰極11發射面直徑為0.5mm至1mm，所述陰極11外徑與陽極13外徑的同心度在0.02mm以內，所述行波管工作時，所述電子槍的設置參數包括：電子束射程為10mm至15mm，電子束的束腰半徑為0.04mm至0.08mm，電子束的電流為10mA至30mA。

所述磁聚焦系統4采用周期永磁聚焦結構，磁場的周期性峰值為4000Gs至5000Gs，磁場的周期長度為7mm±1mm。

如圖5所示的收集極結構示意圖，所述收集極5采用一級降壓收集極，包括電子吸收體51、高壓接線極54和外筒53，所述電子吸收體51設于外筒53內，所述電子吸收體51與外筒53之間設有電子吸收體絕緣陶瓷52，所述高壓接線極54設置在外筒53尾端，所述高壓接線極54與外筒53之間設置有接線極絕緣陶瓷55，在上述行波管的基礎上，所述外筒53的外徑為40mm±5mm，所述外筒53的外長為80mm±5mm，所述電子吸收體51的內徑為20mm±5mm，所述電子吸收體51的電位設置在-7000V，所述外筒53內徑與電子吸收體51內徑的同心度在0.05mm以內。

上述0.34THz行波管帶寬達到2GHz，增益達到20dB，輸出功率達到130mW，滿足0.34THz頻段太赫茲應用系統的需求，可以被應用于太赫茲雷達以及太赫茲通信系統當中。

以上已將本實用新型做一詳細說明，以上所述，僅為本實用新型之較佳實施例而已，當不能限定本實用新型實施范圍，即凡依本申請范圍所作均等變化與修飾，皆應仍屬本實用新型涵蓋范圍內。