[發明專利]一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔及其選模方法

有效

• 申請號: 201510366864.X
• 申請日: 2015-06-29
• 公開（公告）號: CN104934668B
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 發明（設計）人: 杜朝海;黃斌;劉濮鯤
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H01P1/207
• 分類號: H01P1/207
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 王巖

技術領域

本發明涉及微波器件領域，尤其涉及一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔及其選模方法。

背景技術

在真空微波源器件家族中，回旋管是一種在毫米波和太赫茲波段能提供高功率輸出的新型電真空器件，在未來的太赫茲技術中具有廣闊的應用前景。但是，為了產生太赫茲波，如果回旋管還是工作在低次模式下，腔體半徑必然會很小，電子注通道過小就限制了其功率輸出水平，失去了高功率輸出優勢。同時過小的尺寸，對器件的加工和精度提出了苛刻的要求。所以為了使回旋管工作在太赫茲波段，同時能確保高功率輸出水平，腔體半徑不至于過小，可以使回旋管工作在高次諧波狀態下。但是，回旋工作在高次模式下，隨之帶來了嚴重的模式競爭問題，使其很難穩定工作，特別是當兩模式頻率相差很小時情況更加惡劣。所以解決模式競爭問題，對高次諧波回旋管具有重大的實際意義。

開放腔是回旋管主要結構之一，是回旋管注-波互作用的主要場所，它的結構尺寸決定回旋管的工作頻率及其可能的工作模式，并對回旋管的工作模式的Q值也有重要影響。總之開放腔的結構特性關聯著回旋管的性能優劣。但是在高次諧波回旋管中，采用傳統的開放腔體結構，除了工作模式外，往往存在不需要的競爭模式，嚴重影響回旋管工作穩定性。所以設計一種具有選模結構的開放腔體結構，可以過濾競爭模式，提高工作模式Q值，對高次諧波回旋管單模工作具有重大意義。

發明內容

針對以上現有技術中存在的問題，本發明提出了一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔，用在回旋管的結構設計中，解決回旋管的開放腔中模式競爭的問題。

本發明的一個目的在于提供一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔。

本發明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔包括：截止波導、圓柱波導、過模波導、輻射縫和矩形光柵；其中，截止波導、圓柱波導和過模波導依次連接且共軸；圓柱波導的半徑決定存在其內部的模式的頻率，工作模式為對稱模式，競爭模式為非對稱模式；在圓柱波導壁上角相開設一條或多條圓環形的輻射縫；輻射縫相對非對稱的競爭模式是強輻射，相對對稱的工作模式是弱輻射；在圓柱波導的外壁上與每一條輻射縫的位置相對應，設置多個參數相同的矩形光柵，矩形光柵的端口與輻射縫對接，矩形光柵的端口高度與輻射縫的寬度相同，多個矩形光柵繞軸一周將輻射縫封閉，在角向成輻射狀；通過設置矩形光柵的參數，使得對稱的工作模式的頻率落在矩形光柵的禁帶內，而非對稱的競爭模式的頻率落在矩形光柵的通帶內。

傳統的開放腔包括依次連接的截止波導、圓柱波導和過模波導；截止圓柱波導防止高頻系統中產生的微波能量向電子槍傳輸，擾亂電子注運動軌跡；過模波導可以提高傳輸功率容量；圓柱波導是注-波互作用的主要場所，圓柱波導的半徑決定工作頻率范圍，工作模式為對稱模式，競爭模式為非對稱模式，根據工作模式可以進一步確定工作的距離頻率。

本發明在圓柱波導的角向開設圓環形的輻射縫，因為對于非對稱的競爭模式，圓柱波導壁存在軸向電流，輻射縫相對競爭模式是強輻射，而對稱的工作模式沒有軸向電流，是弱輻射；在諧振過程中，由于競爭模式的能量容易輻射出去，品質因子Q值會急劇下降，該模式就會被抑制，相反，需要的工作模式由于輻射弱，品質因子Q值降低很小。輻射縫的寬度、在圓柱波導壁上的位置、縫間距離和條數決定Q值。輻射縫的寬度越寬輻射越強，但是當寬度大到一定程度后，輻射的強度變化不明顯，并且由于邊界不連續性增大，會產生高次模式諧波，所以綜合考慮，確定輻射縫的寬度不宜過大；同時，輻射縫的條數和位置決定總的輻射強度，為了進一步使非對稱模式的電磁波能量輻射出來，在圓柱波導上軸向電流大的地方開設輻射縫，并且開設多條縫，從而使輻射強度更大。相鄰的輻射縫之間的距離相等，多條輻射縫成周期性排列。

輻射縫對競爭模式和工作模式的能量都會泄漏，使得工作模式的Q值降低，因此在圓柱波導的外壁上與輻射縫相對應的位置對接矩形光柵，通過設計矩形光柵的參數，使得對稱的工作模式的頻率落在矩形光柵的禁帶內，會反射回去，不能從開放腔中泄漏出來，從而Q值提高；而非對稱的競爭模式的頻率落在矩形光柵的通帶內，能量會順利通過矩形光柵，向外輻射出去，使Q值降低，如此就可以實現選模濾波目的。矩形光柵的參數包括周期間隙寬度a、端口高度b、周期長度d、間隙深度h和光柵寬度w。

本發明的另一個目的在于提供一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的選模方法。

本發明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的選模方法，包括以下步驟：

1)圓柱波導的半徑決定工作頻率范圍，選擇對稱的工作模式，得到工作模式的頻率；