專利名稱：一種內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太赫茲電磁波源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及電真空電子器件，是一種內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器。
背景技術(shù)：
無論要把太赫茲電磁波應(yīng)用于何種用途，緊湊高效太赫茲電磁波源都是根本?？梢愿鶕?jù)工作原理可以把太赫茲源分為基于光學(xué)的太赫茲源和基于電子學(xué)的太赫茲源兩大類。前者包括各種紅外氣體激光、各類激光驅(qū)動(dòng)太赫茲輻射器、太赫茲光導(dǎo)天線輻射器、 光整流輻射器、非線性差頻輻射器、太赫茲參量振蕩器和放大器(TPG，ΤΡΟ, TPA)及光學(xué) Cherenkov輻射器等，這類器件的主要缺點(diǎn)是功率偏小。后者又可以區(qū)分為基于固態(tài)電子學(xué)的太赫茲源和基于真空電子學(xué)的太赫茲源。其中，基于固態(tài)電子學(xué)太赫茲源有各類固態(tài)振蕩器和量子級聯(lián)激光(QCL)，具有小巧、價(jià)格低廉和頻率可調(diào)的特點(diǎn)，是人們希望的一種太赫茲源。但半導(dǎo)體器件的功率較小，且需要在低溫下工作，低溫環(huán)境的維持造成該類器件的運(yùn)行成本較高。
基于真空電子學(xué)的太赫茲源包括各類自由電子激光(FEL)以及回旋管、速調(diào)管、 EIK、返波管和行波管振蕩器等電真空器件。大多數(shù)自由電子激光(FEL)需要高能加速器提供高能電子注。這類太赫茲源的特點(diǎn)是功率功率很大，但體積也十分龐大，不適合于對體積有要求的應(yīng)用。回旋管也是一種高功率的太赫茲源，但因?yàn)樾枰瑢?dǎo)強(qiáng)磁場對電子注進(jìn)行聚焦，因此體積也十分龐大。
行波管、返波管和速調(diào)管等傳統(tǒng)電真空器件早就顯示出了在太赫茲領(lǐng)域獲得應(yīng)用的潛力。
就返波管而言，早在世紀(jì)之交以前，世界各國就研制出了工作頻率直到ITHz的返波管，其中大部分 都產(chǎn)生于前蘇聯(lián)或俄羅斯。但當(dāng)時(shí)太赫茲源的應(yīng)用前景尚未彰顯，因此沒有得到應(yīng)有的重視?，F(xiàn)在，通過比較，人們發(fā)現(xiàn)返波管的功率重量比或功率體積比仍然是最高的太赫茲源之一。也就是說，返波管是最有潛力實(shí)現(xiàn)小型化的太赫茲源之一。因此引起了世界領(lǐng)域的研究興趣。美國的 CCR(Calabazas Creek Research, Inc)、Utah 大學(xué)、NASA 的Lewis Research Center及法國Thomson CSF DET等研究機(jī)構(gòu)開展了太赫茲返波管的研究。中國學(xué)界對太赫茲返波管也具有濃厚興趣，中科院電子所開展了一些計(jì)算機(jī)模擬研究， 發(fā)表或正在發(fā)表一些階段研究成果。另外，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所研制成功了 O. 14THz的相對論返波管。
就速調(diào)管而言，比如近年來出現(xiàn)的“納米速調(diào)管”的新概念，就其工作原理而言就是傳統(tǒng)的反射式速調(diào)管，其區(qū)別僅僅在于有效體積達(dá)到“納米”量級，需要特殊的新型的制造技術(shù)而已。如果所需的制造技術(shù)得到突破，“納米速調(diào)管”將具有革命性的重大意義。當(dāng)然，目前還沒有成功研制出“納米速調(diào)管”的報(bào)導(dǎo)。另外，采用分布式互作用的分布作用速調(diào)管(Extended interaction klystron或EIK)在最近幾年獲得了長足的發(fā)展。在Ka波段， 世界各國早就有一些產(chǎn)品問世。據(jù)2006年的報(bào)導(dǎo)，CPI加拿大公司Ka波段的EIK系列產(chǎn)品功率可以達(dá)到1000W。韓國2003年報(bào)導(dǎo)過正在研制一種Ka波段750W的EIK研制進(jìn)展，當(dāng)時(shí)還處于理論設(shè)計(jì)階段。中科院電子所曾經(jīng)在上世紀(jì)20年代成功研制出Ka波段100W的脈沖型EIK樣管，并提供給某測距雷達(dá)使用。近幾年來，以CPI加拿大公司的EIK產(chǎn)品獲得了長足的發(fā)展，中心工作頻率迅速擴(kuò)展到250GHz，顯示出這種管型向更高頻率發(fā)展的巨大潛力。其Ka波段EIK VZA6903E的工作頻帶在27-3IGHz范圍，IdB帶寬為300MHz，飽和增益為75dB，飽和功率750W。其220GHz的EIK的功率也能達(dá)到100W以上。
就行波管而言，原則上同樣可以預(yù)期其工作原理在太赫茲頻域成立，因此美國 Wisconsin-Madison大學(xué)的J. H. Booske及NASA的C. L. Kory等就提出了研制基于折疊波導(dǎo)的太赫茲行波管及行波管振蕩器的設(shè)想。理論分析表明能夠在560GHz獲得56mW的行波管振蕩器。圖1是他們設(shè)想的器件的示意圖。當(dāng)然，目前還沒有獲得560GHz的實(shí)物成果的報(bào)導(dǎo)，但已經(jīng)開展了更詳細(xì)模擬研究，并進(jìn)行Ka波段的試驗(yàn)研究。在國內(nèi)，中電十二所曾經(jīng)以折疊波導(dǎo)為基礎(chǔ)，研制成功95GHz IOW行波管。成都電子科技大學(xué)報(bào)道了 O.1THz的折疊波導(dǎo)太赫茲振蕩輻射器的模擬研究。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，是以現(xiàn)有行波管為基礎(chǔ)，引入恰當(dāng)?shù)姆答仚C(jī)制改制而成，體積小、功率大、便于批量生產(chǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其以行波管為基礎(chǔ)，引入反饋機(jī)制；包括
(I)取消在行波管中的衰減器和夾斷結(jié)構(gòu)；
(2)在其輸入端口增加一個(gè)調(diào)諧裝置；
(3)在慢波結(jié)構(gòu)輸出口，引入具有一定反射的反射結(jié)構(gòu)，使該處在工作頻帶內(nèi)具有一定的反射。
所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其所述調(diào)諧裝置，是一個(gè)可變短路器。
所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其所述慢波結(jié)構(gòu)，為梯形慢波結(jié)構(gòu)、梳狀慢波結(jié)構(gòu)、折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)其中之一。
所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其用電磁計(jì)算軟件計(jì)算
a)所選定的慢波結(jié)構(gòu)的慢波特性，根據(jù)工作頻段選定慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸；
b)通過優(yōu)化計(jì)算，使在工作頻段內(nèi)的耦合阻抗盡可能高；
c)計(jì)算輸入、輸出輸能結(jié)構(gòu)的特性、尺寸；
d)輸出輸能結(jié)構(gòu)與慢波結(jié)構(gòu)輸出端連接處的特性，使存在一定的反射；
e)參考微波、毫米波段的可變短路器，設(shè)計(jì)調(diào)諧裝置，使其具有盡量大的反射系數(shù)和可控的相移調(diào)節(jié)能力。
所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其所述一定的反射，是反射系數(shù)為O. 2左右。
所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其工作流程為
a)電子注中的白噪聲在慢波結(jié)構(gòu)中激勵(lì)起白噪聲式的電磁波，并通過電子注與慢波結(jié)構(gòu)的互作用得到放大；
b)被放大的電磁波大部分由輸出端口輸出，提供給用戶使用，有一小部分電磁波受到在慢波結(jié)構(gòu)輸出口處的反射結(jié)構(gòu)反射，返回慢波結(jié)構(gòu)；
c)反射回慢波結(jié)構(gòu)的部分電磁波，經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)及匹配良好的輸入端口，進(jìn)入外接的調(diào)諧裝置后被全反射，同時(shí)被調(diào)諧裝置引入一個(gè)可調(diào)節(jié)的相位差；
d)引入了相位差、并被全反射的電磁波，再度進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)成為輸入信號；
e)當(dāng)a)_d)步的電磁波經(jīng)歷反饋回路的相移為2 的整數(shù)倍時(shí)，在慢波結(jié)構(gòu)提供足夠增益以抵消反射損耗、歐姆損耗和介質(zhì)損耗的條件下，器件發(fā)生振蕩，輸出一個(gè)或幾個(gè)特定頻率的太赫茲電磁波。且每個(gè)頻率均滿足本條所述相移和增益條件。
所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其所述調(diào)諧裝置，通過機(jī)械調(diào)諧方法在反饋回路中引入額外相移變化，起振電磁波的頻率將會跟著變化以滿足循環(huán)相移為2 π整數(shù)倍的條件，以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧特性。
所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其所述e)步中的反饋回路，為電磁波從輸入端出發(fā)，被放大、兩次被反射后回到輸入端的整個(gè)回路。
所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其所述機(jī)械調(diào)諧方法，是在調(diào)諧裝置為可變短路器的條件下，調(diào)節(jié)可變短路器內(nèi)金屬活塞的位置
本發(fā)明的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，屬于電真空電子器件，其體積小、可調(diào)諧、功率大、便于批量生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明的一種內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器結(jié)構(gòu)及原理示意圖。
圖中
1-電子槍
2-電子注
3-慢波結(jié)構(gòu)
4-降壓收集極
5-輸入輸能結(jié)構(gòu)
6-輸出輸能結(jié)構(gòu)
7-調(diào)諧裝置
8-反射結(jié)構(gòu)具體實(shí)施方式
本發(fā)明的一種內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，從圖1可以看出，與普通行波管的差別在于
(I)在其輸入端口增加了一個(gè)調(diào)諧裝置，該裝置可以是一個(gè)可變短路器；
(2)以特殊方法設(shè)計(jì)輸出端口，使其在工作頻帶內(nèi)具有一定的反射，其反射系數(shù)為 O. 2左右。
本發(fā)明的行波管振蕩器，工作原理可以通過圖1所示的原理示意圖進(jìn)行闡述。該行波管振蕩器的工作原理描述如下電子注中的白噪聲在慢波結(jié)構(gòu)中激勵(lì)起白噪聲式的電磁波，并通過電子注與慢波結(jié)構(gòu)的互作用而得到放大。被放大的電磁波的大部分由輸出端口輸出，并提供給用戶使用。有一小部分則被輸出端口反射，從而返回慢波結(jié)構(gòu)。這部分電磁波經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)及匹配良好的輸入端口，進(jìn)入外接的調(diào)諧裝置后被全反射，同時(shí)被引入一個(gè)可調(diào)節(jié)的相位差，并再度進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)成為輸入信號。當(dāng)電磁波經(jīng)歷上述循環(huán)的相移為2π的整數(shù)倍，并且慢波結(jié)構(gòu)提供足夠增益的條件下，器件發(fā)生振蕩，輸出一個(gè)(或幾個(gè)) 特定頻率的電磁波。由于調(diào)諧裝置可以通過機(jī)械調(diào)諧等方法在上述循環(huán)中引入相移變化， 起振電磁波的頻率將會跟著變化以滿足循環(huán)相移為2 π的整數(shù)倍的條件，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧特性。
對本發(fā)明的一種內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，詳細(xì)描述如下
(I)根據(jù)工作頻段和工藝制造水平選取周期慢波結(jié)構(gòu)。從現(xiàn)有的周期慢波結(jié)構(gòu)看， 螺旋線慢波結(jié)構(gòu)在Ka波段以下獲得了最為廣泛的應(yīng)用。但是，隨著結(jié)構(gòu)尺寸隨頻率的減小，螺旋線慢波結(jié)構(gòu)的制造難度隨著頻率升高而逐漸增大，在W波段以上時(shí)，已經(jīng)不可能制造。因此，在W波段以上，梯形慢波結(jié)構(gòu)、梳狀慢波結(jié)構(gòu)、折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)等周期慢波結(jié)構(gòu)顯示出更大的優(yōu)勢。尤其是這些慢波結(jié)構(gòu)可以用平面微制造工藝進(jìn)行制造，從而可以制造出適宜于工作在THz頻段的微細(xì)周期慢波結(jié)構(gòu)。
(2)利用任何有效的專用或通用電磁計(jì)算軟件計(jì)算所選定的慢波結(jié)構(gòu)的慢波特性，根據(jù)工作頻段選定慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸。通過優(yōu)化計(jì)算，使在工作頻段內(nèi)的耦合阻抗盡可能聞。
(3)利用任何有效的專用或通用電磁計(jì)算軟件計(jì)算輸入、輸出輸能結(jié)構(gòu)的特性，使得匹配性能盡可能好，并確定輸入、輸出輸能結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸。
(4)利用任何有效的專用或通用電磁計(jì)算軟件計(jì)算輸出輸能結(jié)構(gòu)與慢波結(jié)構(gòu)輸出端連接處的特性，使得存在一定的反射，作為特例，這個(gè)反射系數(shù)為O. 2左右。
實(shí)際設(shè)計(jì)中可能無需引入實(shí)際的反射裝置，而只需通過使輸出結(jié)構(gòu)的某一個(gè)尺寸 (如作為輸出口的 波導(dǎo)之寬邊)偏離最優(yōu)化尺寸而達(dá)到反射系數(shù)為O. 2左右的設(shè)計(jì)目的，亦可以通過使該尺寸具有單次或多次適當(dāng)跳變而達(dá)到反射系數(shù)為O. 2左右的設(shè)計(jì)目的。
(5)利用任何有效的專用或通用電磁計(jì)算軟件計(jì)算設(shè)計(jì)調(diào)諧裝置，使其具有盡可能大的反射系數(shù)和可控的相移調(diào)節(jié)能力。
(6)根據(jù)上述第(2)步的計(jì)算結(jié)果，選定同步電壓，并以此為根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)電子槍、降壓收集極和電子注聚焦系統(tǒng)。
(7)用與現(xiàn)有行波管相同的制造方法制造內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器及其上述所需所有部件。
(8)用與現(xiàn)有行波管相同的測試方法測試內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器。
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其特征在于，以行波管為基礎(chǔ)，引入反饋機(jī)制；包括(1)取消在行波管中的衰減器和夾斷結(jié)構(gòu)；(2)在其輸入端口增加一個(gè)調(diào)諧裝置；(3)在慢波結(jié)構(gòu)輸出口，引入具有一定反射的反射結(jié)構(gòu)，使該處在工作頻帶內(nèi)具有一定的反射。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其特征在于，所述調(diào)諧裝置，是一個(gè)可變短路器。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其特征在于，所述慢波結(jié)構(gòu)，為梯形慢波結(jié)構(gòu)、梳狀慢波結(jié)構(gòu)、折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)其中之一。
4.如權(quán)利要求1或3所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其特征在于，用電磁計(jì)算軟件計(jì)算a)所選定的慢波結(jié)構(gòu)的慢波特性，根據(jù)工作頻段選定慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸；b)通過優(yōu)化計(jì)算，使在工作頻段內(nèi)的耦合阻抗盡可能高；c)計(jì)算輸入、輸出輸能結(jié)構(gòu)的特性、尺寸；d)輸出輸能結(jié)構(gòu)與慢波結(jié)構(gòu)輸出端連接處的特性，使存在一定的反射；e)參考微波、毫米波段的可變短路器，設(shè)計(jì)調(diào)諧裝置。
5.如權(quán)利要求1或4所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其特征在于，所述一定的反射，是反射系數(shù)為O. 2左右。
6.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其特征在于，工作流程為a)電子注中的白噪聲在慢波結(jié)構(gòu)中激勵(lì)起白噪聲式的電磁波，并通過電子注與慢波結(jié)構(gòu)的互作用得到放大；b)被放大的電磁波大部分由輸出端口輸出，提供給用戶使用，有一小部分電磁波受到在慢波結(jié)構(gòu)輸出口處的反射結(jié)構(gòu)反射，返回慢波結(jié)構(gòu)；c)反射回慢波結(jié)構(gòu)的部分電磁波，經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)及匹配良好的輸入端口，進(jìn)入外接的調(diào)諧裝置后被全反射，同時(shí)被調(diào)諧裝置引入一個(gè)可調(diào)節(jié)的相位差；d)引入了相位差、并被全反射的電磁波，再度進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)成為輸入信號；e)當(dāng)a)_d)步的電磁波經(jīng)歷反饋回路的相移為2π的整數(shù)倍時(shí)，在慢波結(jié)構(gòu)提供足夠增益以抵消反射損耗、歐姆損耗和介質(zhì)損耗的條件下，器件發(fā)生振蕩，輸出一個(gè)或幾個(gè)特定頻率的太赫茲電磁波。且每個(gè)頻率均滿足本條所述相移和增益條件。
7.如權(quán)利要求1、2或6所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其特征在于，所述調(diào)諧裝置，通過機(jī)械調(diào)諧方法在反饋回路中引入額外相移變化，起振電磁波的頻率將會跟著變化以滿足循環(huán)相移為2 π整數(shù)倍的條件，以實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧特性。
8.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其特征在于，所述e)步中的反饋回路，為電磁波從輸入端出發(fā)，被放大、兩次被反射后回到輸入端的整個(gè)回路。
9.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，其特征在于，所述機(jī)械調(diào)諧方法，是在調(diào)諧裝置為可變短路器的條件下，調(diào)節(jié)可變短路器內(nèi)金屬活塞的位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種內(nèi)反饋式太赫茲行波管振蕩器，涉及太赫茲電磁波源技術(shù)，以行波管為基礎(chǔ)，引入反饋機(jī)制構(gòu)成振蕩器。結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有行波管差別在于1.在其輸入端口增加一個(gè)調(diào)諧裝置，該裝置為一個(gè)可變短路器；2.以特殊方法設(shè)計(jì)輸出端口，使其在工作頻帶內(nèi)具有一定的反射，該反射系數(shù)為0.2左右。本發(fā)明的振蕩器，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引入一個(gè)電磁波的反饋回路，在電磁波經(jīng)反饋回路的相移為2π的整數(shù)倍，且慢波結(jié)構(gòu)提供足夠增益的條件下，器件發(fā)生振蕩，輸出一個(gè)或幾個(gè)特定頻率的電磁波。由于調(diào)諧裝置可以通過機(jī)械調(diào)諧等方法在反饋回路中引入相移變化，起振電磁波的頻率將會跟著變化以滿足反饋回路總相移為2π的整數(shù)倍的條件，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧特性。
文檔編號H01J23/16GK103021770SQ201110282800
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者王自成, 趙建東, 李海強(qiáng), 徐安玉, 董芳, 劉韋, 黃明光, 郝保良 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所