高功率同轴结构过模表面波振荡器及太赫兹波产生方法

摘要

本发明设计的轴对称结构同轴高功率过模表面波振荡器以波-束互作用产生太赫兹波段的电磁波辐射为基本工作原理，依据强流相对论电子束与过模同轴慢波结构发生波-束强相互作用，产生高功率太赫兹波。同轴过模表面波振荡器由无箔二极管、过模同轴慢波结构、过渡波导以及同轴结构的输出波导构成。过模表面波振荡器在波-注互作用区的工作模式为TM01模式，经过过渡波导的模式转换，在表面波振荡器的输出波导端以TEM模式传输，采用这种结构设计了0.14THz的同轴表面波振荡器，输出端口的峰值功率可以达到115MW。该过模表面波振荡器适用于产生太赫兹波段的高功率电磁波。

说明书

技术领域

本发明属于高功率太赫兹源设计方案，具体涉及一种产生太赫兹波段（太 赫兹，Terahertz，1THz=10¹²Hz）电磁波的轴对称高功率同轴结构的过模表 面波振荡器。

背景技术

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波。由于该波段兼有 亚毫米波与红外可见光两个区域的特性，因而融合了亚毫米波和红外可见光的 优点，特别是适中的波束宽度、宽的系统带宽和大的多普勒频移特性，十分有 利于目标的探测识别和干扰对抗。这些特点为太赫兹波在军事上的应用提供了 巨大潜力，使得全世界许多国家都给予极大的关注，并投入了大量的人力物力 进行太赫兹技术的研究。但是，由于所处波段的特殊性，太赫兹信号在产生方 面存在着一定的困难，尤其是高功率太赫兹源的发展相对滞后，这严重阻碍了 太赫兹技术在军事方面的应用。

到目前为止，真空电子学的方法是室温下产生高功率太赫兹辐射的最常用 手段。对于真空电子器件辐射源来说，它的最高功率水平一般都反比于频率的 平方律。然而，在0.1THz以上，对可移动和紧凑型装置而言，其最大功率随频 率的标度远远偏离了频率的平方律，这导致了所谓的高功率源技术的太赫兹空 隙。当前，不论是美国还是其它国家，尚都缺少具有足够功率水平、实用的辐 射源及高灵敏度的检测器件，美国国家航空航天局(NASA)特别重视发展瓦级 以上功率水平的太赫兹源及焦平面阵列检测器件。因此，对于太赫兹信号产生 而言，技术的发展重点之一是提高源的功率水平；二是降低系统的体积、重量 和功耗。

在大功率或高功率真空电子器件辐射源中，有一类基于切仑科夫(Cerenkov) 辐射原理的器件，统称为相对论切仑科夫器件，其主要器件有相对论返波振荡 器(BWO)、相对论行波管(TWT)、表面波振荡器(SWO)和多波切仑科夫发生器 (MWCG)等。它们的共同特点是采用了某种慢波结构，其作用是将器件中轴向 传播的电磁波相速度降到略低于注入的电子速度，此时，电子在器件中会产生 辐射，这类似于介质中运动电子的速度超过介质中光速时会产生切仑科夫辐 射。此类源具有高功率、高效率、适合重复频率工作和结构紧凑等优点。

随着器件尺寸的缩小，其内部的功率密度不断提高，场强随之增强，而器 件内过强的场强具有破坏效应，导致器件效率严重下降，甚至电磁波辐射终止， 出现脉冲缩短现象。解决这个问题的一个可行途径是增加器件的横向尺寸，即 采用过模结构。这样可以降低相同功率下器件内部的场强，降低电子束电流密 度，从而避免脉冲缩短问题。同时相对于单模结构，过模结构的另外一个突出 优点是在相同的频率下，过模结构的横向尺寸相对于单模结构大得多，这将极 大降低对器件加工的要求。同时解析分析表明同轴波导中空间电荷限制流高于 普通圆波导，同轴器件中的电子束可具有相对高的动能，有利于获得高效率。

圆柱结构的过模表面波振荡器能用于产生太赫兹电磁波，输出的模式为 TM₀₁模，首先该结构采用无箔二极管产生环状电子束，环状电子束在外加磁场 的引导下到达慢波结构区域，引导磁场沿着z方向和r方向的表达式分别为：

$B_z=5.0/(1+e^{(z-3.79e^{-2})/0.5e^{-3}})---\left(1\right)$

$B_r=5.0/(2\times 0.5e^{-3})\times r\times e^{(z-3.79e^{-2})/{0.5e}^{-3}}/\left({(1+e^{(z-3.79e^{-2})/0.5e^{-3}})}^2\right)---\left(2\right)$

其次，利用圆柱结构的慢波系统与电子束相互作用，TM₀₁的结构波得到激 励，并不断的放大，迅速达到饱和；最后，在经过过渡波导段时，电子束在外 加磁场的引导下打到外金属壁上被回收，TM₀₁模式的电磁波则通过圆柱波导辐 射出去。当工作频率为0.14THz时，输出的功率水平可以达到兆瓦。

发明内容

本发明提出了一种高功率同轴结构过模表面波振荡器，其采用过模同轴慢 波结构过模表面波振荡器的设计方案，并采用该方案设计了0.14THz的同轴过 模表面波振荡器，器件在慢波互作用区工作在TM₀₁模式，并以较纯的TEM模 式进行功率输出，峰值功率可达到115MW。

本表面波振荡器设计方案的解决方案为：

横截面示意图如图1，它由无箔二极管1、注入腔2、截止颈外筒3、过模同 轴慢波结构外筒4、过渡波导段内筒5、输出波导外筒6、截止颈内筒7、过模同 轴慢波结构内筒8、同轴漂移波导内筒9、过渡波导内筒10、输出波导内筒11、 同轴漂移波导外筒12组成。无箔二极管1位于结构的最前端，用于产生环形强 流相对论电子束；注入腔2、截止颈外筒3、过模同轴慢波结构外筒4、同轴漂 移波导外筒12、过渡波导段内筒5和输出波导外筒6组成外管体，作为表面波振 荡器的阳极；截止颈内筒7、过模同轴慢波结构内筒8、漂移波导段内筒9、过 渡波导内筒10和输出波导内筒11组成了同轴表面波振荡器的内管体。

同轴过模表面波振荡器处于真空工作状态，在表面波振荡器的左测的无箔 二极管1和注入腔2构成的注入波端口以及右侧由输出波导外筒6和输出波导内 筒11构成的输出端口均采用介质密封的形式，防止电子在运动的过程中发生放 电击穿现象。器件左端同轴结构的波导将外部的TEM模式的电压波引入，外管 体的电压为正，使得器件的阴极能够产生能量比较单一的电子束，均匀同轴结 构的慢波结构系统由过模同轴慢波结构外筒4和过模同轴慢波结构内筒8构成， 在左端有一段同轴结构的截止颈，由截止颈外筒3和截止颈内筒7构成。右端通 过一段同轴波导与过渡波导相连，过渡波导的另一段与输出波导段的一端相 连，其中同轴波导由同轴漂移波导内筒9和同轴漂移波导外筒12构成，过渡波 导段由过渡波导内筒10和过渡波导外筒5构成，输出波导段由输出波导内筒11 和输出波导外筒6组成。过渡波导段的作用使得器件产生太赫兹波的模式转化 成为TEM模式。开展辐射输出实验时，需要对内管体进行同轴支撑，由于重力 以及加工误差等因素的影响，需要在内管体前端以及后端同时进行支撑。同时 为了减少支撑杆导致的回波损耗以及对传输的影响，支撑杆采用表面覆了石墨 的金属杆。

其基本工作过程为：以0.14THz同轴过模表面波振荡器为本发明的实施例， 采用同轴结构的波导将外部的TEM波模式的电压引入，当电压达到电子发射阈 值后，阴极面采用爆炸发射的模式开始发射电子束，最后稳定产生平均电流大 小为1.68kA的电子束，电子枪阴阳间之间的电压也达到稳定的312kV，电子束 通过截止颈后进入过模同轴慢波结构，与器件的结构波产生相互作用，在其中 激励起TM₀₁模式的电磁波，电子束不断与该模式的太赫兹波发生强相互作用， 将能量传递给太赫兹波，最终剩下的电子束在外加磁场的引导下，将打在外导 体壁上被收集，产生的TM₀₁模式的电磁波经过过渡波导段时，模式转化为TEM 模式，沿着输出波导进行高功率的太赫兹波输出。采用粒子模拟软件UNIPIC 的计算结果如图6-7所示。

这种设计不仅成功解决了随着真空电子器件工作频率的升高，器件的横截 面的尺寸变小、功率容量降低的问题，同时采用过模同轴慢波结构提高器件的 输出功率水平，最后采用同轴波导进行太赫兹波的TEM模式输出，使得在太赫 兹波段的各种应用成为可能。

各种设计参数，如表面波振荡器的几何结构尺寸以及电参数，包括慢波结 构的高度、宽度、周期数和二极管电压等，都对其表面波振荡器有很大影响， 开发工艺研究时，必须保证足够精度。输出平均功率随着敏感结构参数的变化 如图3-5所示，慢波结构的色散曲线和电子束的多普勒线如图8所示。

本发明的优点：

1、能产生太赫兹波段的电磁波。本发明提出的一种同轴结构表面波振荡 器，通过对过模同轴慢波结构的高度、周期长度、半径的设计使得该器件能够 辐射太赫兹波段的电磁波。

2、输出功率高。采用同轴结构的过模表面波振荡器，并且通过对阴极半 径、阴极与内筒之间的间距以及输出端口的设计，使得器件的瞬态功率的峰值 达到兆瓦，以0.14THz表面波振荡器为实施例，输出峰值功率达到115MW。

3、模式纯度高。采用同轴结构的输出波导，并且对过渡波导段进行了详 细的设计，使得器件从慢波结构中的TM₀₁模式，以非常高的纯度转化为TEM 模式。

4、输出功率为TEM模式。在输出端采用同轴结构的输出波导，通过对结 构的详细设计，使得器件的功率输出为TEM模式，采用最低次模进行功率输出， 方便以后进行模式的转化。

附图说明

图1是本发明同轴结构表面波振荡器整体结构模型；

图2是本发明过模同轴慢波结构尺寸示意图；

图3是本发明振荡器输出平均功率与内筒半径的关系；

图4是本发明振荡器输出平均功率与阴极宽度的关系；

图5是本发明振荡器平均输出功率随输出端口内径的关系；

图6是本发明振荡器平均输出功率随时间变化的图像；

图7是本发明振荡器输出径向电场的频谱分布图；

图8是本发明振荡器过模同轴慢波结构的色散曲线。

具体实施方式

本发明横截面示意图如图1，图1为采用本发明设计方案的0.14THz同轴过 模表面波振荡器实施例的结构示意图；它由无箔二极管1、注入腔2、截止颈外 筒3、过模同轴慢波结构外筒4、过渡波导段内筒5、输出波导外筒6、截止颈内 筒7、过模同轴慢波结构内筒8、同轴漂移波导内筒9、过渡波导内筒10、输出 波导内筒11、同轴漂移波导外筒12组成。

无箔二极管1位于结构的最前端，用于产生环形强流相对论电子束；注入 腔2、截止颈外筒3、过模同轴慢波结构外筒4、同轴漂移波导外筒12、过渡波 导段内筒5和输出波导外筒6组成外管体，作为表面波振荡器的阳极；截止颈内 筒7、过模同轴慢波结构内筒8、漂移波导段内筒9、过渡波导内筒10和输出波 导内筒11组成了同轴表面波振荡器的内管体。

同轴过模表面波振荡器处于真空工作状态，在表面波振荡器的左测的无箔 二极管1和注入腔2构成的注入波端口以及右侧由输出波导外筒6和输出波导内 筒11构成的输出端口均采用介质密封的形式，防止电子在运动的过程中发生放 电击穿现象。器件左端同轴结构的波导将外部的TEM模式的电压波引入，外管 体的电压为正，使得器件的阴极能够产生能量比较单一的电子束，均匀同轴结 构的慢波结构系统由过模同轴慢波结构外筒4和过模同轴慢波结构外筒8构成， 在左端有一段同轴结构的截止颈，由截止颈外筒3和截止颈内筒7构成。右端通 过一段同轴波导与过渡波导相连，过渡波导的另一段与输出波导段的一端相 连，其中同轴波导由同轴漂移波导内筒9和同轴漂移波导外筒12构成，过渡波 导段由过渡波导内筒10和过渡波导外筒5构成，输出波导段由输出波导内筒11 和输出波导外筒6组成。过渡波导段的作用使得器件产生太赫兹波的模式转化 成为TEM模式。开展辐射输出实验时，需要对内管体进行同轴支撑，由于重力 以及加工误差等因素的影响，需要在内管体前端以及后端同时进行支撑。同时 为了减少支撑杆导致的回波损耗以及对电子束传输的影响，支撑杆采用表面覆 了石墨的金属杆。

其基本工作过程为：以0.14THz同轴过模表面波振荡器为本发明的实施例， 采用同轴结构的波导将外部的TEM波模式的电压引入，当电压达到电子发射阈 值后，阴极面采用爆炸发射的模式开始发射电子束，最后稳定产生平均电流大 小为1.68kA的电子束，电子枪阴阳间之间的电压也达到稳定的312kV，电子束 通过截止颈后进入过模同轴慢波结构，与器件的结构波产生相互作用，在其中 激励起TM₀₁模式的电磁波，电子束不断与该模式的太赫兹波发生强相互作用， 将能量传递给太赫兹波，最终剩下的电子束在外加磁场的引导下，将打在外导 体壁上被收集，产生的TM₀₁模式的电磁波经过过渡波导段时，模式转化为TEM 模式，沿着输出波导进行高功率的太赫兹波输出。采用粒子模拟软件UNIPIC 的计算结果如图6-7所示。

这种设计不仅成功解决了随着真空电子器件工作频率的升高，器件的横截 面的尺寸变小、功率容量降低的问题，同时采用过模同轴慢波结构提高器件的 输出功率水平，最后采用同轴波导进行太赫兹波的TEM模式输出，使得在太赫 兹波段的各种应用成为可能。

各种设计参数，如表面波振荡器的几何结构尺寸以及电参数，包括慢波结 构的高度、宽度、周期数和二极管电压等，都对其表面波振荡器有很大影响， 开发工艺研究时，必须保证足够精度。输出平均功率随着敏感结构参数的变化 如图3-5所示，慢波结构的色散曲线和电子束的多普勒线如图8所示。

图1为采用本发明设计方案的0.14THz同轴过模表面波振荡器实施例的结 构示意图。

1、器件的整体结构示意图

横截面示意图如图1，它由无箔二极管1、注入腔2、截止颈外筒3、过模同 轴慢波结构外筒4、过渡波导段内筒5、输出波导外筒6、截止颈内筒7、过模同 轴慢波结构内筒8、漂移波导段内筒9、过渡波导内筒10、输出波导内筒11、漂 移同轴波导外筒12组成。无箔二极管1位于结构的最前端，用于产生环形强流 相对论电子束；注入腔2、截止颈外筒3、过模同轴慢波结构外筒4、漂移波导 段外筒12、过渡波导段内筒5和输出波导外筒6组成外管体，作为表面波振荡器 的阳极；截止颈内筒7、过模同轴慢波结构内筒8、漂移波导段内筒9、过渡波 导内筒10和输出波导内筒11组成了同轴表面波振荡器的内管体。

2、无箔二极管

横截面示意图如图1，无箔二极管包括二极管的阴极、阳极以及截止颈。 选取的无箔二极管阳极（注入腔）的外半径为6.0mm，长度为17.0mm，截止颈 为同轴结构，沿着z方向的起始位置为17.0mm，外半径为3.0mm，长度为4.0mm， 内半径为1.6mm，长度为3.65mm。无箔二极管阴极为阴极杆，阴极杆外径为 2.5mm，外径的长度为5.0mm，内径为2.0mm，内径的长度为3.0mm，电子发射 面位于阴极杆的前端，宽度为0.5mm。

3、过渡波导段

示意见图1，采用直线渐变的过渡形式：沿着z方向的起始位置为35.9mm， 一端的外半径为3.0mm，内半径为1.6mm，与慢波结构相连接；另一端的外半 径为4.0mm，内半径为0.5mm，过渡波导段沿着z方向的长度为4mm。过渡波 导可确保绝大部分电磁波传输中从TM₀₁模式转化成为TEM模式。

4、输出波导段

示意图如图1，设计参数包括：同轴结构的输出波段内半径为0.5mm，外 半径为4.0mm，沿着z方向的起始位置为39.9mm，长度为10.1mm。

5、过模同轴慢波结构

示意图如图2所示，过模同轴慢波结构的外圆筒沿着z方向的起始位置为 21.0mm，总长度为10.85mm，包含了16个矩形结构的慢波槽，槽底部的高度 R3为3.0mm，槽底部到顶部的高度与R1相同为0.3mm，宽度与L2相同为 0.35mm，相邻槽起始位置之间的间距L1为0.7mm；内圆筒沿着z方向的起始 位置为20.65mm，总长度为10.85mm，槽顶部的高度R2为1.6mm，包含了16 个矩形结构的慢波槽，槽顶部到底部的高度R1为0.3mm，宽度L2为0.35mm， 相邻槽起始位置之间的间距与L1相同为0.7mm；通过一段内径为1.6mm，外 径为3.0mm的同轴波导分别与过渡段波段和截止颈相连。