[發(fā)明專利]一種擴(kuò)展互作用速調(diào)管的高頻電路及其設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)日: 2022-01-26
• 公開（公告）號(hào): CN114639581A
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂素葉;朱旭;曹瑞奇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京石油化工學(xué)院
• 主分類號(hào): H01J23/18
• 分類號(hào): H01J23/18;H01J23/38
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 張雪梅;李遠(yuǎn)思

本發(fā)明涉及一種擴(kuò)展互作用速調(diào)管的高頻電路。該高頻電路包括電子注通道和多個(gè)諧振腔，電子注通道包括第一電子注通道和第二電子注通道，所述多個(gè)諧振腔包括輸入諧振腔、多個(gè)中間諧振腔和輸出諧振腔，各諧振腔分別包括關(guān)于第一和第二電子注通道對(duì)稱設(shè)置的第一耦合腔和第二耦合腔，以及分別連通第一和第二電子注通道以及第一和第二耦合腔的多個(gè)間隙腔，所述電子注通道的位置和半徑使得，諧振腔以TM₂₁模式工作。采用本發(fā)明的反對(duì)稱模式工作的擴(kuò)展互作用速調(diào)管高頻電路可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作的單模態(tài)高功率太赫茲速調(diào)管。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微波真空電子器件領(lǐng)域，具體涉及一種高功率太赫茲速調(diào)管擴(kuò)展互作用電路。

背景技術(shù)

太赫茲技術(shù)在未來(lái)通訊和雷達(dá)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值。目前，制約其發(fā)展的主要障礙是輻射源的功率水平遠(yuǎn)達(dá)不到應(yīng)用場(chǎng)景的要求。盡管與固態(tài)器件相比，真空電子器件在功率水平上優(yōu)勢(shì)明顯，然而，當(dāng)工作頻率提升至太赫茲頻段后，由于受到縮尺效應(yīng)的影響，器件的功率水平依然下降嚴(yán)重。

擴(kuò)展互作用技術(shù)是一種以多間隙諧振腔作為互作用電路的分布式互作用技術(shù)。它突破了傳統(tǒng)速調(diào)管中單間隙諧振腔間隙渡越角對(duì)特性阻抗(R/Q)提升的限制，具有R/Q與間隙數(shù)目成正比、單位長(zhǎng)度增益高、功率容量大以及高效率的優(yōu)點(diǎn)。理論上，將任何一段慢波結(jié)構(gòu)兩端短路，形成一種周期諧振結(jié)構(gòu)，都可以用作擴(kuò)展互作用電路。然而，在太赫茲頻段，考慮到可加工實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，一般采用梯形電路。圖1A-1C示出一種擴(kuò)展互作用速調(diào)管，包括輸入諧振腔1、多個(gè)中間諧振腔2和輸出諧振腔3，每個(gè)諧振腔的橫截面為面積相等的啞鈴型結(jié)構(gòu)，縱截面具有多個(gè)互作用間隙，被稱為多間隙腔。這些互作用間隙之間通過(guò)連通的耦合腔實(shí)現(xiàn)電磁特性耦合，在整體上表現(xiàn)為統(tǒng)一的某個(gè)工作模式。然而，模式數(shù)目相當(dāng)之多，而且同時(shí)存在于縱向和橫向上。因此，防止模式競(jìng)爭(zhēng)、保持單模工作穩(wěn)定性是基于多間隙腔的互作用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題。

傳統(tǒng)上，擴(kuò)展互作用電路采用基模工作，即具有中心最大場(chǎng)強(qiáng)，如圖2所示。出于整體器件架構(gòu)和聚焦系統(tǒng)的考慮，電子注一般放置在結(jié)構(gòu)中心。然而，工作在基模時(shí)，太赫茲電路的橫向尺寸很小。以220GH頻段為例，基模條件下，電路的橫向尺寸AH1約為0.7～0.8mm。相應(yīng)的電子注通道以及電子注的尺寸也就更小，因此限制了允許的工作電流。這是導(dǎo)致器件功率水平下降嚴(yán)重的根本因素。

近年來(lái)，研究人員開始考慮采用高階模式工作解決這一問(wèn)題。在相同頻率下，電路工作在高階模式可以具有更大的橫向尺寸。這不僅可以增大電子注尺寸以及工作電流，進(jìn)而提升功率水平，同時(shí)電路本身也具有更強(qiáng)的熱處理能力。但是，從已有的研究實(shí)例中可以發(fā)現(xiàn)，即便是采用高階模式，互作用電路依舊采用具有中心最大場(chǎng)強(qiáng)的對(duì)稱模式。按照模式分類，這些模式均為奇數(shù)模，即TM₁₁、TM₃₁、...TM_2n+1，1模式。但是，以工作在TM₃₁模為例，采用單個(gè)電子注，功率水平無(wú)法獲得大幅提升；采用三個(gè)電子注時(shí)，易導(dǎo)致其它高階模式激勵(lì)，因而模式競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題嚴(yán)重。為獲得單模穩(wěn)定工作，互作用電路往往需要采用介質(zhì)加載等外部手段，這會(huì)降低器件工作可靠性。

因此，需要提供一種可以穩(wěn)定工作的高功率太赫茲速調(diào)管。

發(fā)明內(nèi)容

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種擴(kuò)展互作用速調(diào)管的高頻電路，該高頻電路包括電子注通道和多個(gè)諧振腔，

所述電子注通道包括第一電子注通道和第二電子注通道，

所述多個(gè)諧振腔包括輸入諧振腔、多個(gè)中間諧振腔和輸出諧振腔，各諧振腔分別包括關(guān)于第一和第二電子注通道對(duì)稱設(shè)置的第一耦合腔和第二耦合腔，以及分別連通第一和第二電子注通道以及第一和第二耦合腔的多個(gè)間隙腔，

所述電子注通道的位置和半徑使得，諧振腔以TM₂₁模式工作。

優(yōu)選地，所述高頻電路中各間隙腔具有相同的結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，各諧振腔中間隙腔的個(gè)數(shù)相同或不同。