基于多重級聯(lián)高頻結構的太赫茲源放大裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于多重級聯(lián)結構的太赫茲源放大裝置，該太赫茲源放大裝置是返波放大器與行波放大器相結合的級聯(lián)式多電子注太赫茲輻射源，其利用在返波放大器中輸入THz激勵信號，通過返波電子注-波互作用對信號進行放大，采用雙端口輸出返波信號到行波高頻結構中，通過行波段多重注-波互作用，實現(xiàn)多級放大與頻帶展寬，并且對多重級聯(lián)結構輸出的信號進行功率合成。本發(fā)明具有高功率、高增益、寬頻帶的特點，在實現(xiàn)THz集成真空電子器件方面具有絕對優(yōu)勢，并且在THz雷達、通信、危險物探測和成像等方面的重要應用前景。
【專利說明】基于多重級聯(lián)高頻結構的太赫茲源放大裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及真空電子器件【技術領域】，尤其涉及一種返波放大器作為激勵源，基于多重級聯(lián)結構的太赫茲源放大裝置。
【背景技術】
[0002]太赫茲(Terahertz，ITHz = IO12Hz)波是指頻率在0.1?IOTHz波段內的電磁波，位于紅外和微波之間，處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡區(qū)。THz波具有瞬態(tài)性、寬帶性、相干性、低能性等特性，其獨特性能給通信(寬帶通信)、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫(yī)學成像(無標記的基因檢查、細胞水平的成像)、無損檢測、安全檢查(生化物的檢查)等領域帶來了深遠的影響。THz頻段作為一個尚待深入開發(fā)的頻段資源，THz波在軍事上，尤其在雷達及目標識別、寬帶通信、軍事偵查、危險物探測和無損檢測等方面具有巨大的車事需求空間。
[0003]研究表明，THz波正在推動物理學、材料學、生物科學和天文學等多學科領域的縱深發(fā)展。在微波毫米波頻段資源日益緊張的情況下，THz波頻段作為一個有待深入研究和探索的頻譜資源成為世界各國競相占領的制高點，THz科學技術及其應用已成為世界各國優(yōu)先發(fā)展的學科前沿和重點研究領域。
[0004]眾所周知，THz波的獨特性質在軍民兩用領域具有潛在的市場前景，為什么還不能獲得廣泛地應用特別是在國防領域呢？其中最直接也是最根本的原因是缺乏高功率、緊湊可調的寬帶THz輻射源，它成為THz技術推向廣泛應用的瓶頸之一。因此尋求有效方法、探索新機理發(fā)展高功率、寬帶THz源是十分必要的，對促進THz波在軍事和民用兩方面的應用具有重要的戰(zhàn)略意義。
[0005]有多種方法可以產(chǎn)生THz波輻射。如:半導體THz源(如THz-QCL等)；基于光子學的THz發(fā)生器；利用自由電子的THz輻射源(包括THz真空器件、電子回旋脈塞和自由電子激光)；基于高能加速器的THz輻射源等。THz-QCL輻射源由于受到極低溫度的限制成為其廣泛應用的屏障，基于光子學的THz源輸出的功率較低，而基于高能加速器的THz輻射源由于需要大的加速裝置，其廣泛應用包括在軍事領域的應用也受到了極大的限制。在THz福射源中，基于真空電子學的擴展互作用振蕩器(Extend Interaction Oscillator,簡稱E10)由于同時兼顧速調管及行波管的優(yōu)點，它具有功率高、體積小以及具有足夠的帶寬等有優(yōu)勢，可發(fā)展為高功率、緊湊的THz輻射源，受到了高度關注并成為真空電子學THz輻射源的一個熱點研究領域。本發(fā)明是基于高功率、高增益、寬頻帶和集成化研究目標提出的新型太赫茲輻射源。
[0006]在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中， 申請人:發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術THz波輻射源具有以下技術問題:
[0007](I)對于單級行波管放大器而言，可以實現(xiàn)功率放大和頻帶展寬，但是目前THz頻段行波管放大器輸出信號帶寬窄，使其在電子對抗中的雷達目標探測受到限制，另一方面，單級行波管的輸出功率水平有待于提高，導致其在超寬帶雷達遠距離探測、高分辨率成像雷達等應用方面受到了極大的限制。[0008]目前已經(jīng)研制出了THz擴展互作用振蕩器，雖然可以實現(xiàn)較高的重復頻率和較高的輸出功率，但是其無法輸出寬頻帶的信號，不利于抗干擾和成像系統(tǒng)中的應用。

【發(fā)明內容】

[0009](一 )要解決的技術問題
[0010]鑒于上述技術問題，本發(fā)明提供了一種基于多重級聯(lián)結構的太赫茲源放大裝置。
[0011](二)技術方案
[0012]本發(fā)明提供了一種基于多重級聯(lián)結構的太赫茲源放大裝置，包括:電子槍、收集極組、磁場系統(tǒng)、返波放大高頻結構、行波放大高頻結構和功率合成裝置。其中，電子槍包括底座和固定于底座且朝向同一方向并排設置的N個陰極，其中N為奇數(shù)。收集極組包括與上述電子槍各陰極分別相對設置的N個收集極。磁場系統(tǒng)設置于電子槍陰極和收集極組之間空間的外圍。返波放大高頻結構，設置于電子槍位于中間的陰極與對應收集極之間的駐波互作用區(qū)，包括:群聚段、漂移段和互作用段，其中，THz信號輸入端設置于群聚段，兩輸出端口設置于互作 用區(qū)，并向兩側延伸。行波放大高頻結構鏈，包括(N-1)/2級的行波放大高頻結構組，每級的行波放大高頻結構組包括對稱設置于返波放大高頻結構兩側的駐波互作用區(qū)的兩行波放大高頻結構，其中:第一級行波放大高頻結構的輸入端連接至返波高頻放大結構的一輸出端；第I級行波放大結構的輸入端連接至第(ι-1)級行波放大結構的輸出端，其中，2≤I≤(N-l)/2。功率合成結構，其兩輸入端分別連接至兩個第(N-l)/2級的行波放大高頻結構的輸出端，用于將(N-1)/2級的行波放大高頻結構組輸出的THz信號進行功率合成后輸出。
[0013](三)有益效果
[0014]從上述技術方案可以看出，本發(fā)明基于多重級聯(lián)結構的太赫茲源放大裝置具有以下有益效果:
[0015](I)采用返波段注-波互作用區(qū)產(chǎn)生的THz信號作為激勵，在行波段結構中進行多級放大和頻帶展寬，可以實現(xiàn)器件輸出的信號具有高功率、高增益和寬頻帶的特性，有利于推動寬頻帶THz雷達和高功率THz波成像的廣泛應用；
[0016](2)通過多重行波級聯(lián)高頻結構，縮短了器件均勻磁場區(qū)域的直線長度，降低了電子光學系統(tǒng)的研制難度，減輕了磁場重量，有利于THz真空電子器件的小型化，為實現(xiàn)THz真空電子器件的集成化奠定理論和技術基礎；
[0017](3)在多重級聯(lián)高頻結構中，加入行波注-波互作用區(qū)，通過調節(jié)行波段高頻結構的色散特性，可以增加輸出信號帶寬、改善頻譜特性；
[0018](4)調節(jié)級聯(lián)高頻結構中返波段工作電壓，從而調節(jié)返波放大器的工作頻率，實現(xiàn)THz器件的頻率可調；
[0019](5)通過對兩個多重高頻結構中輸出的THz波信號進行功率合成，從而有利于實現(xiàn)器件的高功率輸出。
[0020]本發(fā)明公開一種基于多重級聯(lián)結構的太赫茲源放大裝置，在提高THz真空電子器件輸出功率、展寬工作頻帶和實現(xiàn)THz器件的集成化等方面的獨特優(yōu)勢，在THz雷達、通信、危險物探測和成像等方面的重要應用前景，將加速推動THz功率源在軍事雷達探測和軍事保密通信中的廣泛應用。【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明實施例多重級聯(lián)高頻結構的THz源放大鏈的結構示意圖；
[0022]圖2為圖1所示多重級聯(lián)高頻結構的THz源放大裝置工作原理的示意圖；
[0023]圖3為圖1所示多重級聯(lián)高頻結構的THz源放大裝置的色散曲線圖。
[0024]【本發(fā)明主要元件符號說明】
[0025]100-電子槍；
[0026]110-底座； 120-N 個陰極
[0027]121-陰極；
[0028]200-收集極組；
[0029]201-返波電子注收集極
[0030]300-磁場系統(tǒng)；
[0031]400-返波放大 高頻結構；
[0032]410-返波高頻結構群聚段；420-返波高頻結構漂移段；
[0033]430-返波高頻結構互作用段；
[0034]500-行波放大高頻結構鏈；
[0035]510-行波高頻結構群聚段；520-行波高頻結構漂移段；
[0036]530-行波高頻結構互作用段；
[0037]600-功率放大結構；
[0038]700-吸收介質
[0039]800-THz波輸入結構
【具體實施方式】
[0040]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0041]本發(fā)明公布一種采用返波放大器與行波放大器相結合的級聯(lián)式多電子注的擴展互作用太赫茲輻射源放大鏈。
[0042]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種多重級聯(lián)高頻結構的THz源放大鏈。如圖1所示，本實施例多重級聯(lián)高頻結構的THz源放大裝置包括:電子槍100、收集極組200、磁場系統(tǒng)300、返波放大高頻結構400、行波放大高頻結構鏈500和功率合成結構600。
[0043]以下分別對本實施例多重級聯(lián)高頻結構的THz源放大裝置的各個組成部分進行詳細說明。
[0044]請參照圖1,電子槍100包括底座110和固定于底座110且朝向同一方向并排設置的N個陰極120，其中N為奇數(shù)。在本實施例中，N = 7。
[0045]電子槍100的陰極形狀可以為圓形、橢圓形、帶狀注及納米陣列陰極等任意一種形狀，該N個陰極的工作電壓相同、導流系數(shù)不同。[0046]收集極組200包括與上述電子槍陰極分別相對設置的N個收集極。收集極主要是對實現(xiàn)注-波互作用之后的電子注進行回收。該收集極的結構可以采用常規(guī)收集極，為了提高效率也可以采用單階或多階降壓收集極。
[0047]磁場系統(tǒng)300設置于電子槍100和收集極組200之間空間的外圍，在磁場300的作用下，每一陰極與對應的收集極之間構成駐波互作用區(qū)。
[0048]請參照圖1，返波放大高頻結構400設置于電子槍100位于中間的一個陰極121與對應收集極201之間的駐波互作用區(qū)，用于對輸入的THz波進行功率放大。
[0049]返波放大高頻結構400沿電子注傳播方向包括:群聚段410，為周期慢波結構，用于對陰極121發(fā)射的高壓電子注進行群聚；漂移段420，用來抑制該返波放大高頻結構中產(chǎn)生的振蕩，提高產(chǎn)生信號頻譜的純度；互作用段430，用于對輸入的信號進行功率放大。
[0050]其中，返波放大高頻結構400的THz信號輸入端設置于410返波結構群聚段，兩輸出端口設置于該駐波互作用區(qū)的互作用段，并向該駐波互作用區(qū)的兩側延伸。THz激勵信號輸入端可以是漸變段、均勻式、階梯式等形狀波導。此外，在該返波放大高頻結構400群聚段410的末端設置吸收介質700，用于吸收返波放大高頻結構400中的剩余信號。
[0051 ] 請參照圖1，行波放大高頻結構鏈500包括(N-1) /2級的行波放大高頻結構組，其中每級的行波放大高頻結構組包括對稱設置于返波放大高頻結構400兩側的陰極與對應收集極之間的駐波互作用區(qū)的兩行波放大高頻結構，第一級行波放大高頻結構的輸入端連接至返波高頻放大結構的輸出端；第I級行波放大結構的輸入端連接至第(ι-1)級行波放大結構的輸出端，2≤I ≤ (N-1)/2，用于對返波放大高頻結構輸出的THz波進一步功率放大和頻率展寬。
[0052]以第二級行波放大高頻結構組中位于上方的行波放大高頻結構為例，該行波放大高頻結構位于陰極122和對應的收集極202之間的注-波互作用區(qū)，沿電子注傳播方向包括:群聚段，用于對電子束進行群聚；漂移段，主要用來抑制該結構中產(chǎn)生的振蕩，提高產(chǎn)生的THz信號頻譜純度；互作用段，用于對輸入的THz波進行功率放大和頻帶展寬。其中，該行波放大結構的輸入端位于群聚段，連接于同側第一級行波放大高頻結構的輸出端；其輸出端位于互作用段，連接于同側第三級行波放大高頻結構的輸入端。
[0053]請參照圖1，功率合成結構600的兩輸入端分別連接至兩個第(N-1) /2級的行波放大高頻結構的輸出端，用于對行波放大高頻結構鏈輸出的THz波進一步功率放大和頻率展寬，并將放大和頻率展寬后的高功率寬頻帶THz輸出信號輸出。
[0054]圖2為圖1所示多重級聯(lián)高頻結構的THz源放大裝置工作原理的示意圖。請參照圖1和圖2，本實施例THz源放大裝置實現(xiàn)了由返波放大器初級放大THz信號并且通過行波互作用實現(xiàn)功率放大與頻帶展寬，其工作過程如下:
[0055]首先，電子槍100的陰極121產(chǎn)生返波電子注射入返波段注-波互作用區(qū)。在返波放大高頻結構400的輸入端輸入THz激勵信號。返波電子注與返波放大高頻結構400相互作用產(chǎn)生群聚，剩余信號被吸收介質吸收，在返波高頻結構的互作用段430產(chǎn)生THz波并初級放大。
[0056]其次，由于多重級聯(lián)結構的對稱性，為了避免累贅，只說明級聯(lián)結構的上半部分。在返波放大高頻結構400，將返波段注-波互作用產(chǎn)生的THz波輸入到行波放大高頻結構鏈500。在該行波放大高頻結構鏈500中的每一個行波放大高頻結構，陰極產(chǎn)生的電子注在其群聚段段產(chǎn)生群聚，通過中間漂移段對該結構產(chǎn)生的自激振蕩進行抑制，在互作用段中進行功率放大和頻帶展寬，作用后電子注被收集極收集。在該部分產(chǎn)生的功率放大和頻率展寬后的THz信號輸入到下一級的行波放大高頻結構中進行第二次功率放大和頻帶展寬，如此反復。
[0057]最后，上下兩個處于第三級的行波放大高頻結構產(chǎn)生的THz信號傳輸?shù)焦β屎铣上到y(tǒng)600中，對兩路行波信號和進行合成，通過合成波導輸出。除了波導功率合成方式之夕卜，本發(fā)明功率合成裝置還可以采用空間功率合成的方式進行。
[0058]圖3為圖1所示多重級聯(lián)高頻結構的THz源放大裝置的色散曲線圖。由圖3可知，在電子注具有相同電壓情況下，調整高頻結構參數(shù)，使之產(chǎn)生的THz信號頻率相同。在返波段放大的THz信號通過雙端口傳輸?shù)叫胁ńY構中，實現(xiàn)功率放大與頻帶展寬。
[0059]至此，已經(jīng)結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明基于多重級聯(lián)結構的太赫茲源放大裝置有了清楚的認識。
[0060]此外，上述對各元件的定義并不僅限于實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換，例如:
[0061](I)本案例中的陰極還可以光陰極和場致發(fā)射陰極等形式。
[0062]綜上所述，本發(fā)明提供了一種基于多重級聯(lián)結構的太赫茲源放大裝置，該太赫茲源放大裝置是返波放大器與行波放大器相結合的級聯(lián)式多電子注太赫茲輻射源，其利用在返波放大器中輸入THz激勵信號，通過返波電子注-波互作用對信號進行放大，采用雙端口輸出返波信號到行波高頻結構中，通過行波段多重注-波互作用，實現(xiàn)多級放大與頻帶展寬，并且對多重級聯(lián)結構輸出的信號進行功率合成，實現(xiàn)放大鏈具有高功率、高增益、寬頻帶的特點，在實現(xiàn)THz集成真空電子器件方面具有絕對優(yōu)勢，并且在THz雷達、通信、危險物探測和成像等方面的重要應用前景。
[0063]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于多重級聯(lián)高頻結構的太赫茲源放大裝置，其特征在于，包括: 電子槍，包括底座和固定于所述底座且朝向同一方向并排設置的N個陰極,其中N為奇數(shù)； 收集極組，包括與上述電子槍各陰極分別相對設置的N個收集極； 磁場系統(tǒng)，設置于電子槍陰極和收集極組之間空間的外圍； 返波放大高頻結構，設置于電子槍位于中間的陰極與對應收集極之間的駐波互作用區(qū)，包括:群聚段、漂移段和互作用段，其中，THz信號輸入端設置于所述群聚段，兩輸出端口設置于互作用區(qū)，并向兩側延伸； 行波放大高頻結構鏈，包括(N-l)/2級的行波放大高頻結構組，每級的行波放大高頻結構組包括對稱設置于返波放大高頻結構兩側的駐波互作用區(qū)的兩行波放大高頻結構，其中: 第一級行波放大高頻結構的輸入端連接至返波高頻放大結構的一輸出端； 第I級行波放大結構的輸入端連接至第(ι-1)級行波放大結構的輸出端，其中，2≤I≤(N-l)/2 ;以及 功率合成結構，其兩輸入端分別連接至兩個第(N-l)/2級的行波放大高頻結構的輸出端，用于將(N-1)/2級的行波放大高頻結構組輸出的THz信號進行功率合成后輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的太赫茲源放大裝置，其特征在于，所述功率合成結構為采用波導功率合成或空間功率合成的功率合成裝置。
3.根據(jù)權利要求1所述的太赫茲源放大裝置，其特征在于，所述THz激勵信號輸入端為漸變段、均勻式或階梯式的波導。
4.根據(jù)權利要求1所述的太赫茲源放大裝置，其特征在于，還包括: 吸收介質，連接于所述返波放大高頻結構群聚段的末端，用于吸收返波放大高頻結構中的剩余信號。
5.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的太赫茲源放大裝置，其特征在于，所述電子槍中: 所述N個陰極的工作電壓相同，導流系數(shù)不同； 陰極形狀為以下形狀中的任意一種:圓形、橢圓形、帶狀注及納米陣列。
6.根據(jù)權利要求1至4中任一項所述的太赫茲源放大裝置，其特征在于，所述陰極為光陰極或場致發(fā)射陰極。
【文檔編號】H01J23/06GK103632910SQ201310287931
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年7月10日 優(yōu)先權日:2013年7月10日
【發(fā)明者】劉文鑫, 張兆傳, 王勇, 趙超, 劉濮鯤 申請人:中國科學院電子學研究所