[發明專利]一種太赫茲級聯行波管倍頻器件結構及制造方法

有效

• 申請號: 201310132820.1
• 申請日: 2013-04-17
• 公開（公告）號: CN103247503A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 蔡軍;馮進軍;鄔顯平
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第十二研究所
• 主分類號: H01J25/34
• 分類號: H01J25/34;H01J23/24;G02F1/37
• 代理公司: 工業和信息化部電子專利中心 11010
• 代理人: 李勤媛

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太赫茲級聯行波管倍頻器件。

背景技術

太赫茲（THz）波是指頻率范圍在100GHz-3000GHz的電磁波，這種電磁波在軍事、醫療、工業等領域具有很多潛在的應用。太赫茲源的研發是太赫茲科學與技術中的首要工作，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的能力。

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。眾所周知，行波管的工作原理概述為，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。與其他真空電子器件相比，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，行波管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、裝配工藝嚴格難以使電子注通道準直而獲得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，認為電子注中更高頻率諧波的能量限制了行波管所關注的基波能量，降低了行波管工作頻率的輸出功率。因此，過去的工作都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，而不是去抑制諧波，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，而且具有以下優點，如低頻率功率驅動、工藝實現難度小、流通率高、輸出功率大、頻帶寬和轉換增益高等。根據太赫茲應用對大功率和寬頻帶輻射源的需要，考慮到在頻率進入太赫茲頻域時直接研制行波管等傳統真空電子器件的難度和太赫茲信號功率驅動限制，本申請開發了這種創新的利用諧波實現倍頻放大的真空電子器件。

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只考慮提高基波的輸出功率，而對于以二次諧波為主的諧波功率只是抑制，傳統的器件必須避免諧波這一不利因素破壞行波管性能。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太赫茲級聯行波管倍頻器件。

為了實現本發明的目的，所采用的技術方案如下，一種太赫茲級聯行波管倍頻器件結構，器件保留傳統行波管的總體結構，該器件處于真空狀態下的密封金屬陶瓷封接的管殼中，一端設有包含陰極、聚焦極和陽極的電子槍組件，電子槍的出口處設有行波管慢波結構，其輸入慢波結構連有基波輸入耦合結構，輸出慢波結構連有基波輸出慢波結構，中部設有切斷和集中衰減器；其特征在于，該器件在行波管輸出慢波結構和收集極之間，級聯至少1至M個（M=2,3，……）N次（N=2,3，……）諧波系統，對行波管高頻系統非線性互作用后電子注中的N次諧波信息加以利用；第M個級聯的N次諧波系統包括慢波結構N、集中衰減器N和N次諧波輸出耦合結構，實現互作用后電子注中的N次諧波信息的提取、放大和輸出，級聯的諧波系統直接使用行波管的電子注通道、聚焦系統和收集極。

根據上述太赫茲級聯行波管倍頻器件結構的制造方法，其特征在于按照以下步驟進行設計：

a.編程計算慢波結構的色散特性，分析基波和諧波的色散曲線；