CN104934668A - 一种具有选模作用的高q值太赫兹开放腔及其选模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔及其选模方法。本发明在圆柱波导壁上开设辐射缝，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；进一步在每一条辐射缝上对接矩形光栅，使得对称的工作模式的频率落在矩形光栅的禁带内，提高工作模式的Q值，而非对称的竞争模式的频率落在矩形光栅的通带内，降低竞争模式的Q值，从而实现选模滤波；本发明能够有针对性地对竞争模式造成散射损耗，提高回旋管的工作稳定性及其工作效率，这对太赫兹电子回旋管的发展有重要推动作用。

Description

一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔及其选模方法

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***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；

2)确定竞争模式，竞争模式为非对称的模式，主要竞争模式的频率与工作模式的频率相近；

3)根据竞争模式的辐射量与辐射缝的缝宽的关系，通过参数扫描分析绘制辐射量与缝宽的关系曲线，选择在曲线平稳之前的点作为缝宽；

4)根据竞争模式在圆柱波导壁上电流分布特点，确定辐射缝在圆柱波导壁上的位置、缝间距离和条数；

5)根据矩形光栅的本征方程以及参数之间的关系，并且结合数值仿真软件进行参数优化，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，不能从开放腔中泄漏出来，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，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，端口高度b与辐射缝的宽度一致，矩形光栅的本征方程：

$\frac{d}{a}\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\frac{{\mathrm{\τ}}_n(h+b){\mathrm{tanh\τ}}_n(h+b)}{{\left(\sin c\frac{{\mathrm{\β}}_{n}a}{2}\right)}^2}=\frac{a}{h}kh\tan kh$

${\left(\frac{2\mathrm{\π}f}{c}\right)}^2={\mathrm{\τ}}_n^2+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{w}\right)}^2+{\mathrm{\β}}_n^2$

其中，τ_n ²+β_n＝k²，β_n是第n个空间波轴向波数，τ_n是第n个空间波的横向中盖板到槽方向的波数，k是修正后的空间波数，n＝±1、±2、±3、…，f为工作频率，c为真空光速，β₀是空间基波轴向波数，可以根据该方程，及其参数之间的关系，计算出禁带特性。

本发明的优点：

本发明在圆柱波导壁上开设辐射缝，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；进一步在每一条辐射缝上对接矩形光栅，使得对称的工作模式的频率落在矩形光栅的禁带内，提高工作模式的Q值，而非对称的竞争模式的频率落在矩形光栅的通带内，降低竞争模式的Q值，从而实现选模滤波；本发明能够有针对性地对竞争模式造成散射损耗，提高回旋管的工作稳定性及其工作效率，这对太赫兹电子回旋管的发展有重要推动作用。

附图说明

图1为本发明的在圆柱波导壁上开设辐射缝的开放腔的剖面图；

图2为TE₂₄模式的传输特性与辐射缝的缝宽的关系曲线图；

图3为TE₂₄模式的辐射量与辐射缝的缝宽的关系曲线图；

图4为本发明的具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔的一个实施例的示意图，其中，(a)为轴向示意图，(b)为角向示意图；

图5为本发明的矩形光栅的一个实施例的立体结构示意图；

图6为矩形光栅100GHz～1150GHz传输特性的曲线图；

图7为矩形光栅293GHz～301GHz传输特性的曲线图；

图8为本发明的具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔的一个实施例的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，传统的开放腔包括依次连接的截止波导1、圆柱波导2和过模波导3；在本实施例中，截止波导的半径R_c＝2mm，长度L_c＝3mm；圆柱波导的半径R₀＝2.12mm，长度L＝10mm；过模波导的半径R＝2.3mm，长度L₀＝3mm。圆形波导的工作频率由公式：

$f_{n,m}=\frac{p_{nm}^{\′}}{2{\mathrm{\πR}}_0\sqrt{\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}}}=\frac{p_{nm}^{\′}c}{2{\mathrm{\πR}}_0}$

其中R₀是圆柱波导的半径，c是光速，p’_nm是第一类n阶贝塞尔函数导数的第m个根，根据这个表达式可以确定圆柱波导在TE模式下各个模式的频率。选择工作模式为对称的TE₀₄模式，竞争模式为TE₂₄模式。根据贝塞尔函数的根植表易知，P`<sub>04</sub>＝13.32369，而P`₂₄＝13.17037。TE₀₄模式的频率在f₀₄＝300GHz，那么半径为R₀＝2.12mm的圆柱型波导，此时TE₂₄模式的频率为f₂₄＝296.35GHz，相差频率为△f＝3.65GHz，为TE₀₄模式的主要竞争模式，严重影响注-波互作用效率，使回旋管的工作模式稳定性降低。

根据TE₀₄模式和TE₂₄模式在圆柱波导壁上电流分布特点，提出在圆柱波导角向开设辐射缝，因为对于非对称的TE₂₄模式，圆柱波导壁存在轴向电流，角向缝相对该模式是强辐射缝，而对称的TE₀₄模式没有轴向电流，是弱辐射缝。如果在圆柱波导壁上开设辐射缝，如图1所示，那么在谐振过程中，由于TE₂₄模式的能量容易辐射出去，Q值会急剧下降，该模式就会被抑制，相反，需要的TE₀₄模式由于辐射弱，Q值降低很小。

为了设计出辐射缝L_g的缝宽，在同一圆柱波导中，通过参数扫描分析，在Freq＝296.35GHz时，可以求解TE₂₄模式的传输特性值与缝宽的关系如图2所示，从辐射缝辐射出来的能量与辐射缝的宽度的关系如图3所示。在图2和图3中，S₁₁代表反射系数，S₂₁代表传输系数。从图2中可以看出当辐射缝的缝宽大于0.1mm时，S₂₁会随着缝宽的变大而减小。当缝宽很小时，从图3知，辐射出来的能量很弱，当缝宽足够小，就没有辐射能量了。为了尽可能使TE₂₄模能量泄漏出来，把缝宽开大，但是当缝宽大到一定程度后，辐射能量值变化不明显，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，确定开缝的宽度不宜过大。在本实施例中，在圆柱波导壁上开设三条周期性的辐射缝，缝宽L_g＝0.1mm。

另一方面，辐射缝也会使TE₀₄模式的一部分能量泄漏，Q值也会降低，如果在回旋管中，就会影响其正常工作。所以为了降低TE₂₄模式的Q值的同时，不降低TE₀₄模式的Q值，可以在辐射缝外对接矩形光栅，矩形光栅的端口与辐射缝对接，如图4所示。因为矩形光栅有选频特性，只要矩形光栅的参数设计好，使TE₀₄模式对应的频率落在禁带，而使TE₂₄模式的对应的频率落在通带，那么TE₀₄模式的电磁能量就会反射回去，不能从腔体中泄漏出来，从而Q值提高；而TE₂₄模式的频率恰好在通带内，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。

为了实现上述选频特性，使TE₂₄模式的频率296.35GHz处在通带，TE₀₄模式的频率处在禁带，需要设计出矩形光栅的结构尺寸。首先研究矩形光栅的色散曲线。矩形光栅是一种经典的周期性慢波结构，在加速器、行波管、滤波器等领域内有广泛的应用。在此之前，矩形光栅的色散特性已经做了大量工作，基本结构的示意图如图5所示，矩形光栅的端口51与辐射缝焊接。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。经过结构参数优化设计，结构参数如下表所示：

矩形光栅采用10个周期，根据上表里面的参数，仿真计算它的传输特性曲线如图6所示，图6中S11代表反射系数，S21代表传输系数。从图6中明显可以看出矩形光栅在300GHz～400GHz之间有个禁带，为了进一步了解290GHz～300GHz频段内的传输特性，可以进一步扫描分析，如图7所示，图7中S11代表放射系数，S21代表传输系数。可以看出，需要的TE₀₄模式工作在300GHz，反射系数接近为1，几乎不能从矩形光栅通过，如果在圆柱波导焊接上矩形光栅，TE₀₄模式的电磁能量几乎不能外泄出去，那么TE₀₄模式的谐振时Q值会非常大。而需要过滤掉的TE₂₄模式工作在296.35GHz，刚好落在通带内，反射系数很小，那么TE₂₄模式能很容易从矩形光栅通过，能量很容易从开放腔中辐射出去，从而被过滤掉，实现选模特性。

为了得到最终的效果，当在辐射缝上焊接矩形光栅后，具有选模高Q值太赫兹开放腔体如图8所示。在具体实施中，辐射缝的条数、在圆柱波导壁上的位置、距离都需要根据具体情况设定，辐射缝的位置一般开在轴向电流大的位置。该实施例中结构腔体开了三条缝，每条缝的宽度L_g与矩形光栅的端口高度b相等，为0.1mm，这样辐射缝可以与矩形光栅进行焊接在一起。没有选更宽的辐射缝，是因为当缝宽为0.1mm时，虽然竞争模式TE₂₄辐射能量弱些，但是当b＝0.1mm时，矩形光栅具有需要频率的禁带特性，根据图7可知，可以对TE₀₄模式的频率300GHz几乎全反射，而对TE₂₄模式的296.35GHz频率能很好的通过，可以更有效的提高TE₀₄模式的Q值。每条辐射缝外接8个矩形光栅，围成一圈成辐射状，共有三圈。

通过数值计算仿真，高频结构的对应TE₀₄模式的频率Freq＝300GHz时Q₀₄值为23156，TE₂₄模式对应频率Freq＝296.35GHz时Q₂₄值通过数值计算得为6321。根据结果可知Q₀₄值是Q₂₄几乎是4倍，所以选缝宽L_g＝0.1mm是值得的，因为Q₀₄提高程度远远高于Q₂₄增加的程度，所以该开放腔更容易使TE₀₄模式起振，同时TE₂₄模式很容易被抑制下去。根据结果，这样的结构对非对称模式可以很好的降低其Q值，提高TE₀₄模式的Q值；工作在300GHz，在太赫兹波段，对解决以后太赫兹高次谐波回旋管中模式竞争问题提出了一种方案。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔，其特征在于，所述开放腔包括：截止波导、圆柱波导、过模波导、辐射缝和矩形光栅；其中，所述截止波导、圆柱波导和过模波导依次连接且共轴；所述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；所述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，所述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。

2.如权利要求1所述的开放腔，其特征在于，所述辐射缝的宽度、在圆柱波导壁上的位置、缝间距离和条数决定品质因子Q值。

3.如权利要求2所述的开放腔，其特征在于，所述辐射缝的宽度越宽辐射越强。

4.如权利要求2所述的开放腔，其特征在于，在所述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。

5.如权利要求2所述的开放腔，其特征在于，相邻的辐射缝之间的距离相等，多条辐射缝成周期性排列。

6.如权利要求1所述的开放腔，其特征在于，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，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，Q值降低；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。

7.一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔的选模方法，其特征在于，所述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；

2)确定竞争模式，竞争模式为非对称的模式；

3)根据竞争模式的辐射量与辐射缝的缝宽的关系，通过参数扫描分析绘制辐射量与缝宽的关系曲线，选择在曲线平稳之前的点作为缝宽；

4)根据竞争模式在圆柱波导壁上电流分布特点，确定辐射缝在圆柱波导壁上的位置、缝间距离和条数；

5)根据矩形光栅的本征方程以及参数之间的关系，并且结合数值仿真软件进行参数优化，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，不能从开放腔中泄漏出来，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。

8.如权利要求7所述的选模方法，其特征在于，在步骤5)中，所述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，端口高度b与辐射缝的宽度一致。

9.如权利要求8所述的选模方法，其特征在于，在步骤5)中，所述矩形光栅的本征方程：

$\frac{d}{a}\underset{n=-\mathrm{\&infin;}}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}\frac{{\mathrm{\&tau;}}_n(h+b){\mathrm{tanh\&tau;}}_n(h+b)}{{\left(\sin c\frac{{\mathrm{\&beta;}}_{n}a}{2}\right)}^2}=\frac{a}{h}kh\tan kh$

${\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}f}{c}\right)}^2={\mathrm{\&tau;}}_n^2+{\left(\frac{n\mathrm{\&pi;}}{w}\right)}^2+{\mathrm{\&beta;}}_n^2$

其中，β_n是第n个空间波轴向波数，τ_n是第n个空间波的横向中盖板到槽方向的波数，k是修正后的空间波数，n＝±1、±2、±3、…，f为工作频率，c为真空光速，β₀是空间基波轴向波数。