[发明专利]一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔及其选模方法

说明书

技术领域

本发明涉及微波器件领域，尤其涉及一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔及其选模方法。

背景技术

在真空微波源器件家族中，回旋管是一种在毫米波和太赫兹波段能提供高功率输出的新型电真空器件，在未来的太赫兹技术中具有广阔的应用前景。但是，为了产生太赫兹波，如果回旋管还是工作在低次模式下，腔体半径必然会很小，电子注通道过小就限制了其功率输出水平，失去了高功率输出优势。同时过小的尺寸，对器件的加工和精度提出了苛刻的要求。所以为了使回旋管工作在太赫兹波段，同时能确保高功率输出水平，腔体半径不至于过小，可以使回旋管工作在高次谐波状态下。但是，回旋工作在高次模式下，随之带来了严重的模式竞争问题，使其很难稳定工作，特别是当两模式频率相差很小时情况更加恶劣。所以解决模式竞争问题，对高次谐波回旋管具有重大的实际意义。

开放腔是回旋管主要结构之一，是回旋管注-波互作用的主要场所，它的结构尺寸决定回旋管的工作频率及其可能的工作模式，并对回旋管的工作模式的Q值也有重要影响。总之开放腔的结构特性关联着回旋管的性能优劣。但是在高次谐波回旋管中，采用传统的开放腔体结构，除了工作模式外，往往存在不需要的竞争模式，严重影响回旋管工作稳定性。所以设计一种具有选模结构的开放腔体结构，可以过滤竞争模式，提高工作模式Q值，对高次谐波回旋管单模工作具有重大意义。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔，用在回旋管的结构设计中，解决回旋管的开放腔中模式竞争的问题。

本发明的一个目的在于提供一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔。

本发明的具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔包括：截止波导、圆柱波导、过模波导、辐射缝和矩形光栅；其中，截止波导、圆柱波导和过模波导依次连接且共轴；圆柱波导的半径决定存在其内部的模式的频率，工作模式为对称模式，竞争模式为非对称模式；在圆柱波导壁上角相开设一条或多条圆环形的辐射缝；辐射缝相对非对称的竞争模式是强辐射，相对对称的工作模式是弱辐射；在圆柱波导的外壁上与每一条辐射缝的位置相对应，设置多个参数相同的矩形光栅，矩形光栅的端口与辐射缝对接，矩形光栅的端口高度与辐射缝的宽度相同，多个矩形光栅绕轴一周将辐射缝封闭，在角向成辐射状；通过设置矩形光栅的参数，使得对称的工作模式的频率落在矩形光栅的禁带内，而非对称的竞争模式的频率落在矩形光栅的通带内。

传统的开放腔包括依次连接的截止波导、圆柱波导和过模波导；截止圆柱波导防止高频系统中产生的微波能量向电子枪传输，扰乱电子注运动轨迹；过模波导可以提高传输功率容量；圆柱波导是注-波互作用的主要场所，圆柱波导的半径决定工作频率范围，工作模式为对称模式，竞争模式为非对称模式，根据工作模式可以进一步确定工作的距离频率。

本发明在圆柱波导的角向开设圆环形的辐射缝，因为对于非对称的竞争模式，圆柱波导壁存在轴向电流，辐射缝相对竞争模式是强辐射，而对称的工作模式没有轴向电流，是弱辐射；在谐振过程中，由于竞争模式的能量容易辐射出去，品质因子Q值会急剧下降，该模式就会被抑制，相反，需要的工作模式由于辐射弱，品质因子Q值降低很小。辐射缝的宽度、在圆柱波导壁上的位置、缝间距离和条数决定Q值。辐射缝的宽度越宽辐射越强，但是当宽度大到一定程度后，辐射的强度变化不明显，并且由于边界不连续性增大，会产生高次模式谐波，所以综合考虑，确定辐射缝的宽度不宜过大；同时，辐射缝的条数和位置决定总的辐射强度，为了进一步使非对称模式的电磁波能量辐射出来，在圆柱波导上轴向电流大的地方开设辐射缝，并且开设多条缝，从而使辐射强度更大。相邻的辐射缝之间的距离相等，多条辐射缝成周期性排列。

辐射缝对竞争模式和工作模式的能量都会泄漏，使得工作模式的Q值降低，因此在圆柱波导的外壁上与辐射缝相对应的位置对接矩形光栅，通过设计矩形光栅的参数，使得对称的工作模式的频率落在矩形光栅的禁带内，会反射回去，不能从开放腔中泄漏出来，从而Q值提高；而非对称的竞争模式的频率落在矩形光栅的通带内，能量会顺利通过矩形光栅，向外辐射出去，使Q值降低，如此就可以实现选模滤波目的。矩形光栅的参数包括周期间隙宽度a、端口高度b、周期长度d、间隙深度h和光栅宽度w。

本发明的另一个目的在于提供一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔的选模方法。

本发明的具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔的选模方法，包括以下步骤：

1)圆柱波导的半径决定工作频率范围，选择对称的工作模式，得到工作模式的频率；