[发明专利]一种太赫兹级联行波管倍频器件结构及制造方法

说明书

技术领域

本发明属于真空电子器件领域，具体涉及到在频率进入太赫兹频段的一种太赫兹级联行波管倍频器件。

背景技术

太赫兹（THz）波是指频率范围在100GHz-3000GHz的电磁波，这种电磁波在军事、医疗、工业等领域具有很多潜在的应用。太赫兹源的研发是太赫兹科学与技术中的首要工作，是开展太赫兹应用研究的前提和关键。真空电子器件高频率、大功率的显著特点预示了其具有填补太赫兹间隙的能力。

行波管（TWT）是一种重要的真空电子器件，图1是已有技术中一支普通行波管的结构示意图，由图中可以看到这个器件总体结构包含如下7个部分，它们是：1电子枪，2输入系统，3慢波结构，它可以采用包括螺旋线、耦合腔、折叠波导等各种慢波结构，4磁聚焦系统，5集中衰减器，6输出系统，7收集极。众所周知，行波管的工作原理概述为，电子枪组件中的阴极产生一束电子注，由聚焦系统维持一定的电子注形状，通过慢波结构中的电子注通道；高频电磁场通过输入系统进入慢波结构中并以行波的方式传输，其基波的相速度与电子速度同步，电磁场通过注波互作用在电子注中获得能量，被放大的基波信息通过输出系统耦合出来，集中衰减器的作用是防止电磁波沿慢波结构反馈而引起不希望的自激振荡，收集极则用来收集通过慢波结构后已经交出基波能量的电子。与其他真空电子器件相比，行波管具有宽频带、高增益、大动态范围和低噪声等特性，到目前为止，行波管仍然是一种得到广泛应用的真空电子器件，但是在进一步向太赫兹频域的拓展中，行波管面临着输入功率驱动不足、精密零件加工困难、慢波结构高频损耗大、器件互作用区域小、装配工艺严格难以使电子注通道准直而获得高流通率等技术难题。

为了将行波管的应用范围拓展到太赫兹频域，需要站在高一层次思考这种真空电子器件的工作机理。在行波管中，电子注通过慢波结构和电磁波发生充分的注波互作用后，电子注中的基波信息得到放大并达到饱和，由于行波管的非线性工作方式，电子注的空间电荷波呈现出非正弦分布状态，这说明此时的电子注除了含有被放大基波信息外，还有被同时放大的高次谐波信息。理论和实验表明当行波管处在基波过饱和的状态时，电子注的非线性特性得到加强，谐波信息也进一步增大。

在传统的行波管理论中，认为电子注中更高频率谐波的能量限制了行波管所关注的基波能量，降低了行波管工作频率的输出功率。因此，过去的工作都是致力于如何提高基波输出功率，同时设法抑制以二次谐波为主的谐波功率，这一直都是宽频带行波管特别是倍频程以上行波管的关键研究内容。

而在当前的创新研究的理念中，则力求利用谐波，而不是去抑制谐波，基于行波管电子注内存在的大量谐波信息，利用电磁波对电子注调制的非线性来实现倍频信息放大，不仅可行，而且具有以下优点，如低频率功率驱动、工艺实现难度小、流通率高、输出功率大、频带宽和转换增益高等。根据太赫兹应用对大功率和宽频带辐射源的需要，考虑到在频率进入太赫兹频域时直接研制行波管等传统真空电子器件的难度和太赫兹信号功率驱动限制，本申请开发了这种创新的利用谐波实现倍频放大的真空电子器件。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对现有技术中，普通行波管的工作状态只考虑提高基波的输出功率，而对于以二次谐波为主的谐波功率只是抑制，传统的器件必须避免谐波这一不利因素破坏行波管性能。为了充分利用已存在于非线性电子注上的谐波信息，让它发挥有益的作用，特考虑开发一种创新的利用谐波实现倍频的器件。

本发明的目的是提供一种太赫兹级联行波管倍频器件。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案如下，一种太赫兹级联行波管倍频器件结构，器件保留传统行波管的总体结构，该器件处于真空状态下的密封金属陶瓷封接的管壳中，一端设有包含阴极、聚焦极和阳极的电子枪组件，电子枪的出口处设有行波管慢波结构，其输入慢波结构连有基波输入耦合结构，输出慢波结构连有基波输出慢波结构，中部设有切断和集中衰减器；其特征在于，该器件在行波管输出慢波结构和收集极之间，级联至少1至M个（M=2,3，……）N次（N=2,3，……）谐波系统，对行波管高频系统非线性互作用后电子注中的N次谐波信息加以利用；第M个级联的N次谐波系统包括慢波结构N、集中衰减器N和N次谐波输出耦合结构，实现互作用后电子注中的N次谐波信息的提取、放大和输出，级联的谐波系统直接使用行波管的电子注通道、聚焦系统和收集极。

根据上述太赫兹级联行波管倍频器件结构的制造方法，其特征在于按照以下步骤进行设计：

a.编程计算慢波结构的色散特性，分析基波和谐波的色散曲线；