CN104538271A - 一种工作在高次通带的梳状线慢波结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作在高次通带的梳状线慢波结构，包括：腔模区，由一系列直波导组成矩形谐振腔阵列；电子注通道贯穿直波导组成矩形谐振腔阵列，用以传输电子注；注波互作用发生在所述腔模区。本发明的慢波结构具有适用于高次通带工作和不受低通带模式竞争影响的特点，可以提高太赫兹返波振荡器的功率性能。

Description

一种工作在高次通带的梳状线慢波结构

技术领域

本发明涉及微波真空电子器件领域，特别是涉及一种工作在高次通带的梳状线慢波结构。

背景技术

太赫兹科学技术的迅速发展，对于太赫兹辐射源的要求日益增强，能否研发出一种实用化、大功率、可调谐太赫兹辐射源对太赫兹科学技术的发展起着至关重要的作用。返波振荡器是一种微波真空电子器件，是一种常用的毫米波源以及极具发展潜力太赫兹辐射源，它利用慢波结构上的返波与电子注相互作用而产生微波振荡，可在很宽的频带内实现电子调谐，但是随着频率的提升，小尺寸给电子光学***、高频***带来了很大的技术挑战，造成返波振荡器的功率量级下降很快，无法满足太赫兹远程成像和太赫兹频谱分析等大功率应用的需要。

如图1所示，梳状线是目前太赫兹返波振荡器最常用的慢波结构，由槽模区1-1，腔模区1-2组成，电子注1-3在槽模区与电磁波进行注波互作用。梳状线慢波结构适用于太赫兹返波振荡器主要由于其具有以下特点：第一，慢波结构的二维结构与微加工工艺兼容，可以容易通过UV-LIGA(Vacuum-Lithographie Galanoformung Abformung，真空紫外线-光刻、电铸和注塑)或DRIE(Deep Reactive Ion Etching，深反应离子刻蚀)等微加工工艺实现；第二，慢波结构的基波为前向波，利用其-1次反向空间谐波作为工作模式，可以获得适当的工作电压和较高耦合阻抗；第三，慢波结构的耦合结构比较简单，容易设计和实现其他组件，例如获得返波振荡器的匹配吸收器和功率输出***等。因此，梳状线相对于折叠波导或金属柱阵列慢波结构分别在耦合阻抗量级和耦合难度方面具有很大的优势。即便如此，在太赫兹返波振荡器研制中，利用梳状线慢波结构实现高频率和大功率性能时也需要克服小尺寸带来的技术难题。

如图2所示，梳状线的色散曲线呈现通带和止带间隔排列的特性，在色散曲线中自下到上的区域分别为下截止区S0、低次通带槽模区T1、第一止带S1和高次通带腔模区T2。一般的梳状线工作在槽模，无法直接选用高次通带的腔模区，这是因为：第一，梳状线在腔模区不具有电子注通道，第二，无法避免低次通带的模式竞争。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工作在高次通带的梳状线慢波结构，用以解决现有技术中梳状线慢波结构实现高频率和大功率性能较差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种工作在高次通带的梳状线慢波结构，包括：

腔模区，由一系列直波导组成矩形谐振腔阵列；电子注通道贯穿直波导组成矩形谐振腔阵列，用以传输电子注；注波互作用发生在所述腔模区。

进一步，所述梳状线慢波结构还包括：

不再传输电子注的槽模区。

进一步，所述梳状线慢波结构还包括：

过渡区，连接所述槽模区和腔模区，作为滤波电路将工作在低次通带的低频率槽模电磁场限制在槽模区，并与腔模区隔离。

本发明有益效果如下：

本发明的慢波结构具有适用于高次通带工作和不受低通带模式竞争影响的特点，可以提高太赫兹返波振荡器的功率性能。

附图说明

图1是现有梳状线慢波结构示意图；

图2是现有梳状线慢波结构色散曲线示意图；

图3是本发明实施例中一种工作在高次通带的梳状线慢波结构示意图；

图4是本发明实施例中慢波结构低通带槽模和高通带腔模的-1次返波色散特性比较图；

图5是本发明实施例中慢波结构低通带槽模和高通带腔模的-1次返波轴线耦合阻抗比较图；

图6是本发明实施例中慢波结构单周期低通带槽模二维电场图；

图7是本发明实施例中慢波结构单周期高通带腔模二维电场图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明为了获得适用大功率太赫兹返波振荡器的慢波结构，在保持梳状线固有的微加工兼容性、冷特性参数好和简单耦合优势条件下，将互作用区设置在梳状线的腔模区域，通过小尺寸波导作为滤波电路连接槽模区域和腔模区域，利用其下截止特性将槽模电磁场隔离到互作用区外，解决低通带可能存在的模式竞争，使电子注通道附近只存在所需的腔模电磁场。

如图3所示，本发明实施例涉及一种工作在高次通带的梳状线慢波结构，包括：

槽模区1，不再传输电子注；

注波互作用发生在腔模区2，由一系列直波导3组成矩形谐振腔阵列；电子注通道4贯穿直波导3组成矩形谐振腔阵列，用以传输电子注5；

过渡区6，在几何结构上连接槽模区1和腔模区2，在物理上作为滤波电路将工作在低次通带的低频率槽模电磁场限制在槽模区并与腔模区隔离，该电路对工作于高次模式的高频率电磁场分布影响很小。

本发明创新结构的慢波结构，具有适用于高次通带工作和不受低通带模式竞争影响的特点，可以提高太赫兹返波振荡器的功率性能。

任意选择一种工作在高次通带的梳状线慢波结构，设定结构尺寸(单位：mm)a＝1.9，b＝0.3，p＝0.7，d＝0.3，h＝0.7，rc＝0.22，x＝1，y＝0.3，t＝0.35。其中，a表示槽模和腔模区波导的宽边长，b表示槽模区波导的窄边长，p表示腔模区直波导的阵列的周期，d表示直波导的窄边长，h表示直波导的长度，rc表示电子注通道的半径，x表示过渡区波导的宽边长，y表示过渡区波导的长度，t表示电子注通道中心距离直波导底部的距离。

利用三维电磁软件对本发明的慢波结构进行模拟，计算得到低通带槽模和高通带腔模的色散曲线和轴线耦合阻抗，模拟结果如图4和图5所示，单周期低通带槽模和高通带腔模的场分布如图6和图7所示。

图4为本发明慢波结构低通带槽模和高通带腔模的-1次返波色散特性比较图，结果显示本发明慢波结构高通带腔模比低通带槽模具有更高的工作电压，需要对新型慢波结构进行工作电压设计，将其设置在合适的范围内，高通带腔模和低通带槽模有一段频域具有相同的相光速比，说明在此范围内工作电压与两个通带同时同步；

图5为本发明慢波结构低通带槽模和高通带腔模的-1次返波轴线耦合阻抗比较图，结果显示本发明慢波结构高通带腔模比低通带槽模具有更高的耦合阻抗，在高通带腔模和低通带槽模的同步区，腔模轴线耦合阻抗远大于槽模耦合阻抗，说明通过合理设计慢波电路尺寸，可以使返波振荡器在高通带腔模起振，在低通带不起振，能够解决高通带工作时的低通带模式竞争；

图6为发明慢波结构单周期低通带槽模二维电场图，结果显示低通带槽模电磁场被滤波电路与互作用区有效的隔离，可以解决低通带槽模模式竞争；

图7为本发明慢波结构单周期高通带腔模二维电场图，结果显示高通带腔模电磁场集中在互作用区，如果进行优化设计，可以进一步提升太赫兹返波振荡器性能。

本发明的新型梳状线慢波结构中，在保持梳状线优势外，通过使慢波结构工作在高次通带腔模，实现在相同的几何尺寸下的更高频率的大功率应用。为了将高次通带作为工作模式，除了在腔模区额外增加电子注通道外，还利用小尺寸波导作为滤波电路，利用其下截止特性，将低频率槽模电磁场隔离到互作用区外，解决高通带工作中可能存在的低通带模式竞争，返波振荡器可以利用本发明的慢波结构的高次通带-1次空间谐波，可以提高太赫兹返波振荡器的功率性能。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。

Claims (3)

1.一种工作在高次通带的梳状线慢波结构，其特征在于，包括：

腔模区，由一系列直波导组成矩形谐振腔阵列；电子注通道贯穿直波导组成矩形谐振腔阵列，用以传输电子注；注波互作用发生在所述腔模区。

2.如权利要求1所述的工作在高次通带的梳状线慢波结构，其特征在于，所述梳状线慢波结构还包括：

不再传输电子注的槽模区。

3.如权利要求2所述的工作在高次通带的梳状线慢波结构，其特征在于，所述梳状线慢波结构还包括：

过渡区，连接所述槽模区和腔模区，作为滤波电路将工作在低次通带的低频率槽模电磁场限制在槽模区，并与腔模区隔离。