專利名稱：一種大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微波真空管件技術(shù)領(lǐng)域，具體的說涉及一種大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置。
背景技術(shù)：
THz輻射通常指的是頻率在0.1THz IOTHz之間的電磁波，THz頻域位于毫米波和紅外輻射之間，是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)域，也是電子學(xué)和光子學(xué)的交叉區(qū)域，在太赫茲頻譜技術(shù)、太赫茲成像和太赫茲通訊等應(yīng)用前景良好。太赫茲輻射的量子能量很低，信噪比很高，頻率極寬，具有一系列特殊的性質(zhì)，在基礎(chǔ)研究、信息技術(shù)、核技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、安全檢測和國防軍事等領(lǐng)域有相當(dāng)重要的應(yīng)用前景。在與太赫茲技術(shù)相關(guān)的諸多研究領(lǐng)域中，對太赫茲輻射源的研究占據(jù)了核心位置。目前有很多方法都可以產(chǎn)生THz輻射，利用自由電子的THz輻射源是其中之一，包括THz真空器件、電子迴旋脈塞和自由電子激光。對于真空電子器件，電子在真空中可以被加速到接近光速的運動速度，具有快速轉(zhuǎn)換功能；可以工作在很高的電壓和電流的條件下，可以獲得大功率輸出；電子在真空中的速度可控，當(dāng)電子完成互作用后，通過多級降壓收集極回收電子能量，可以獲得很高的總效率。引入最先進(jìn)的微加工技術(shù)，利用折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)的太赫茲真空器件成為太赫茲頻域的一種大功率、小型化輻射源，目前在真空電子學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。然而現(xiàn)有獲得大功率的太赫茲輻射源成本高，同時獲得的太赫茲輻射信號的頻率調(diào)諧與電子束電壓關(guān)系大，易因電子束的波動造成頻率的波動。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，能夠獲得穩(wěn)定的大功率太赫茲輻射源，同時具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:包括兩段工作在毫米波或太赫茲波的低頻段的慢波結(jié)構(gòu)(為了便于區(qū)分，稱之為第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)和第二低頻段慢波結(jié)構(gòu))和高頻段慢波結(jié)構(gòu)，所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)一端設(shè)有低頻信號接口和電子束接口，所述第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)一端設(shè)有信號接口，所述高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有輸出端口 ；所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)與第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)之間連接有第一漂移管，所述第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)與高頻段慢波結(jié)構(gòu)之間連接有第二漂移管；輸入的電子束與低頻段毫米波或者太赫茲波在第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)互作用，產(chǎn)生速度調(diào)制，在第一漂移管產(chǎn)生電子群聚，并形成了子能帶，攜帶子能帶的電子束進(jìn)入第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)，與輸入的低頻段毫米波或者太赫茲波再次進(jìn)行速度調(diào)制，在第二漂移管區(qū)再一次產(chǎn)生電子群聚，產(chǎn)生密度調(diào)制，在此電子束電流內(nèi)激勵起高次諧波電流，群聚的電子束攜帶激勵電流信號進(jìn)入高頻段慢波結(jié)構(gòu)，在此激勵起高次諧波的電磁波并被放大。
進(jìn)一步地，所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)另一端設(shè)有匹配負(fù)載端口。進(jìn)一步地，所述第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)另一端設(shè)有匹配負(fù)載端口。進(jìn)一步地，所述高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有匹配負(fù)載端口。進(jìn)一步地，所述匹配負(fù)載端口連接有電磁波吸收裝置。進(jìn)一步地，所述電磁波吸收裝置為集中衰減器，分布衰減器。進(jìn)一步地，所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)和高頻段慢波結(jié)構(gòu)為螺旋線、耦合腔或者折疊波導(dǎo)。進(jìn)一步地，所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)的電子束接口的電子束通道形狀是圓形、方形或者橢圓形。進(jìn)一步地，所述高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有收集極。本發(fā)明的原理是:
輸入的電子束與低頻段毫米波或者太赫茲波在第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)互作用，產(chǎn)生速度調(diào)制，在第一漂移管產(chǎn)生電子群聚，并形成了子能帶，攜帶子能帶的電子束進(jìn)入第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)，與輸入的低頻段毫米波或者太赫茲波再次進(jìn)行速度調(diào)制，在第二漂移管區(qū)再一次產(chǎn)生電子群聚，產(chǎn)生密度調(diào)制，在此電子束電流內(nèi)激勵起高次諧波電流，群聚的電子束攜帶激勵信號進(jìn)入高頻段慢波結(jié)構(gòu)，在此激勵起高次諧波的電磁波并被放大，然后經(jīng)輸出端口輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
一、本發(fā)明的大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，包括第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)和高頻段慢波結(jié)構(gòu)，第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)一端設(shè)有低頻信號接口和電子束接口，第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)一端設(shè)有信號接口，高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有輸出端口 ；第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)與第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)之間連接有第一漂移管，第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)與高頻段慢波結(jié)構(gòu)之間連接有第二漂移管；輸入的電子束與低頻段毫米波或者太赫茲波在第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)互作用，產(chǎn)生速度調(diào)制，在第一漂移管產(chǎn)生電子群聚，并形成了子能帶，攜帶子能帶的電子束進(jìn)入第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)，與輸入的低頻段毫米波或者太赫茲波再次進(jìn)行速度調(diào)制，在第二漂移管區(qū)再一次產(chǎn)生電子群聚，產(chǎn)生密度調(diào)制，在此電子束電流內(nèi)激勵起高次諧波電流，群聚的電子束攜帶激勵電流信號進(jìn)入高頻段慢波結(jié)構(gòu)，在此激勵起高次諧波的電磁波并被放大，然后通過輸出端口輸出。本發(fā)明輸出信號的頻率調(diào)諧與電子束的電壓無關(guān)，能夠獲得穩(wěn)定的大功率太赫茲輻射源，同時本發(fā)明使用技術(shù)更為成熟和價格更為便宜的低頻信號源作為輸入，獲得高頻的信號，具有成本低的特點。二、本發(fā)明能夠獲得頻率更高和功率更大的太赫茲輻射源，本發(fā)明獲得的太赫茲輻射源的頻率在ITHz以上，功率大約為100mW。三、本發(fā)明的第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)和第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有匹配負(fù)載端口能夠防止低頻信號的反射。四、本發(fā)明的高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有匹配負(fù)載端口，能夠消除反射的影響。五、本發(fā)明的第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)和第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)和高頻段慢波結(jié)構(gòu)的匹配負(fù)載端口連接有電磁波吸收裝置，能夠吸收電磁波，防止電磁波進(jìn)入漂移管。六、本發(fā)明的第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)和高頻段慢波結(jié)構(gòu)為螺旋線、耦合腔或者折疊波導(dǎo)，具有選擇面廣，根據(jù)不同的情況，選用不同的慢波結(jié)構(gòu)，提高本發(fā)明的實用性。七、本發(fā)明的高頻慢波裝置還設(shè)有收集極，能夠收集注波互作用的電子，以提高管子的效率。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)記:1、電子槍，2、第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)的信號接口，3、第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)，4、第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)的匹配負(fù)載端口，5、第一漂移管，6、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)的信號接口，7、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)，8、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)的匹配負(fù)載端口，9、第二漂移管，10、高頻段慢波結(jié)構(gòu)的匹配負(fù)載端口，11、高頻段慢波結(jié)構(gòu)，12、輸出端口，13、收集極。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。本發(fā)明主要是由三段不同的慢波結(jié)構(gòu)，前兩段工作在毫米波或太赫茲波的低頻段，即第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)和第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)；最后一段工作在毫米波或太赫茲波段高頻段，即高頻段慢波結(jié)構(gòu)。慢波結(jié)構(gòu)可以是螺旋線及其變形結(jié)構(gòu)如環(huán)桿、環(huán)圈等，也可以是耦合腔及其變形結(jié)構(gòu)如梯形線等，還可以是折疊波導(dǎo)及其變形結(jié)構(gòu)如脊加載折疊波導(dǎo)、曲折雙脊折疊波導(dǎo)、槽加載折疊波導(dǎo)等。慢波結(jié)構(gòu)之間通過漂移管相連接，漂移管為細(xì)長金屬管道，只能通過電子束而不能通過電磁波。電子槍主要產(chǎn)生電子束，電子束形狀可以是圓形、帶狀形或者橢圓形，電子束經(jīng)電子束通道進(jìn)入第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)，電子束通道可以是圓形、方形或者橢圓形。第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)輸入低頻段的信號；電子束在第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)中與低頻段的信號進(jìn)行互作用，使電子束的速度產(chǎn)生較深的速度調(diào)制；第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有匹配負(fù)載端口，用于消除輸入端產(chǎn)生的反射影響。同時匹配負(fù)載端口還連接有電磁波吸收裝置，用于吸收電磁波，防止低頻電磁波進(jìn)入漂移管。電磁波吸收裝置可以為管內(nèi)設(shè)置的集中衰減器，分布衰減器。然后在第一漂移管中電子束產(chǎn)生電子群聚，產(chǎn)生密度調(diào)制，并形成了子能帶，攜帶子能帶的電子束在進(jìn)入第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)，第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)也設(shè)有匹配負(fù)載端口和連接有電磁波吸收裝置，用于消除反射的影響和吸收電磁波。群聚的電子束在這里又一次被第二個信號接口輸入信號(可以和第一的輸入信號相同或者不同)速度調(diào)制；第二漂移管區(qū)中第二次速度調(diào)制的的電子束再一次產(chǎn)生電子群聚，產(chǎn)生密度調(diào)制，在此電子束電流內(nèi)激勵起了高次諧波電流，群聚的電子束攜帶激勵電流信號進(jìn)入高頻段慢波結(jié)構(gòu)，在此激勵起高次諧波的電磁波并被放大，然后通過輸出端口輸出信號。高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有匹配負(fù)載端口，消除輸入端產(chǎn)生的反射影響。高頻段慢波結(jié)構(gòu)還設(shè)有收集極，收集極主要是收集駐波互作用后的電子，以提高管子的效率，在本發(fā)明中采用單級手機(jī)或者多級收集極，可以降壓，也可以不降壓，合理的設(shè)計電極的位置、電壓、形狀等，提高了收集的效率，并最終獲得較高的整管的效率。整個裝置為真空密封結(jié)構(gòu)，同時第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)和高頻段慢波結(jié)構(gòu)外部加有均勻或者周期的聚焦磁場系統(tǒng)，用以聚焦電子束。本發(fā)明輸出信號的頻率調(diào)諧與電子束的電壓無關(guān)，能夠獲得穩(wěn)定的大功率太赫茲輻射源，同時本發(fā)明使用技術(shù)更為成熟和價格更為便宜的低頻信號源作為輸入，獲得高頻的信號，具有成本低的特點。
權(quán)利要求
1.一種大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:包括第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)和高頻段慢波結(jié)構(gòu)，所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)一端設(shè)有低頻信號接口和電子束接口，所述第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)一端設(shè)有信號接口，所述高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有輸出端口 ；所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)與第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)之間連接有第一漂移管，所述第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)與高頻段慢波結(jié)構(gòu)之間連接有第二漂移管；輸入的電子束與低頻段毫米波或者太赫茲波在第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)內(nèi)互作用，產(chǎn)生速度調(diào)制，在第一漂移管產(chǎn)生電子群聚，并形成了子能帶，攜帶子能帶的電子束進(jìn)入第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)，與輸入的低頻段毫米波或者太赫茲波再次進(jìn)行速度調(diào)制，在第二漂移管區(qū)再一次產(chǎn)生電子群聚，產(chǎn)生密度調(diào)制，在此電子束電流內(nèi)激勵起高次諧波電流，群聚的電子束攜帶激勵電流信號進(jìn)入高頻段慢波結(jié)構(gòu)，在此激勵起高次諧波的電磁波并被放大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)另一端設(shè)有匹配負(fù)載端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:所述第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)另一端設(shè)有匹配負(fù)載端口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:所述高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有匹配負(fù)載端口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:所述匹配負(fù)載端口連接有電磁波吸收裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:所述電磁波吸收裝置為集中衰減器，分布衰減器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)和高頻段慢波結(jié)構(gòu)為螺旋線、耦合腔或者折疊波導(dǎo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)的電子束接口的電子束通道形狀是圓形、方形或者橢圓形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、4或7所述的大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，其特征在于:所述高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有收集極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率毫米波與太赫茲輻射源裝置，包括第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)、第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)和高頻段慢波結(jié)構(gòu)，所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)一端設(shè)有低頻信號接口和電子束接口，所述第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)一端設(shè)有信號接口，所述高頻段慢波結(jié)構(gòu)設(shè)有輸出端口；所述第一低頻段慢波結(jié)構(gòu)與第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)之間連接有第一漂移管，所述第二低頻段慢波結(jié)構(gòu)與高頻段慢波結(jié)構(gòu)之間連接有第二漂移管。本發(fā)明能夠獲得穩(wěn)定的大功率太赫茲輻射源，同時具有技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點。
文檔編號H01J23/027GK103094025SQ20131001553
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者鞏華榮, 王斌, 唐濤, 宮玉彬 申請人:電子科技大學(xué)