CN111524766A - 一种多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波电真空器件领域，涉及毫米波及太赫兹频段电真空器件，具体为一种多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法；本发明将周期性慢波结构的单个周期分割为周期性耦合腔盘片和周期性间隙盘片，从而使得本发明能够采用分割‑组合式的加工方式，大大降低了工艺难度，给毫米波、亚毫米波、太赫兹辐射源器件的集成性和小型化带来优势；同时，本发明采用激光刻蚀的焊接方式进行加工，有效克服传统焊接方式的缺点，不仅不存在热传导所引起的热损伤的问题，而且能够获得精准尺寸和极高的光洁度。

Description

一种多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法

技术领域

本发明属于微波电真空器件领域，涉及毫米波及太赫兹频段电真空器件，具体为一种多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法。

背景技术

近年来备受人们关注的毫米波太赫兹由于其带宽宽、方向性好、空间和时间分辨率高等优点，在宽带通信、雷达***、电子对抗、生物医学成像以及安全检查等诸多领域有着广泛的应用前景。把传统的微波管向毫米波段、亚毫米波段以及太赫兹频段拓展，至今仍是人们不断努力的方向，并取得了很大成就。与固态器件相比，基于真空电子学的毫米波、太赫兹器件在输出功率、工作带宽、电子效率等方面具有明显优势，在高频率电子装备等应用***中具有不可替代性。在微细加工技术、阴极技术等新技术的推动下，太赫兹电真空器件已经成为最具发展前途的太赫兹辐射源之一。

电真空器件的高频互作用***作为注波互作用的场所对整管的输出功率和效率起着决定性的影响。随着微波电真空器件的工作频率由微波频段拓展到毫米波和太赫兹频段，由于传统微波管的高频互作用***尺寸与工作波长具有共度性，随着器件工作频率地不断提高，高频互作用***的尺寸越来越小，关键尺寸将从毫米量级减小到微米量级，一方面使得电子注与高频场产生互作用的空间变得十分窄小，使得电子注的速度和密度调制不充分，管子的功率容量受到极大限制，对阴极和聚焦***也提出了十分苛刻的要求，使得毫米波、太赫兹器件的研制成为制约***发展的瓶颈之一；另一方面对零部件的加工和装配工艺提出了越来越高的要求，传统的机械加工技术很难完成太赫兹器件慢波结构的一次成型，为了提高真空电子器件的工作频率、输出功率，拓展真空电子器件的工作频带，就必须使用新材料、新结构、新工艺和新机制。

同时，随着微波电真空器件向着太赫兹频段发展，由于频率越高、波长越小，导致器件的尺寸也必须越来越小；而传统加工方式是以整体加工为主，太赫兹频段器件的尺寸小，结构复杂，存在镜像多孔等结构，整体加工的方法难度较大；特别是在二维方向实现三维耦合孔的加工，使得传统加工方式难度进一步增大；同时，由于传统加工方式大多采用的机械连接或电阻焊、熔融焊等焊接方式，属于“烧蚀”性的连接方式，加工过程会产生热传导，导致产生较大的热损伤而变形，也使得慢波结构周期性金属盘片表面损耗大、光洁度极低，进而影响太赫兹器件的质量。为了发展可集成的太赫兹频段高频互作用***，提供一种新的加工方法。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的不足，提供一种太赫兹高频***的加工方法，使其能够解决毫米波太赫兹器件加工和表面光洁度上的一些问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法，其特征在于，所述多片叠加太赫兹高频互作用***包括管体状外壳、设置于管体状外壳内侧的慢波结构、以及密封连接于管体状外壳外侧的信号输入组件与信号输出组件，其中所述慢波结构为由若干个周期依次连接构成的周期性耦合腔结构，每个周期由相互间隔设置的耦合腔盘片和间隙腔盘片构成；所述多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法包括以下步骤：

步骤1.耦合腔盘片加工：采用金属片，利用电化学刻蚀、粒子束刻蚀、线切割或激光刻蚀等工艺于金属圆柱片上加工得到位于中心位置的电子注通道、以及围绕于电子注通道设置的耦合孔，形成耦合腔盘片；

步骤2.间隙腔盘片加工：采用与耦合腔盘片相同(尺寸、材料)的金属片，利用电化学刻蚀、粒子束刻蚀、线切割或激光刻蚀等工艺于金属圆柱片上加工得到直径大于耦合腔盘片上耦合孔外直径的通孔，形成间隙腔盘片；

步骤3.采用电化学刻蚀、粒子束刻蚀、线切割或激光刻蚀等工艺完成慢波结构的单个周期内耦合腔盘片与间隙腔盘片的焊接，慢波结构若干个周期之间的焊接，以及慢波结构与管体状外壳内壁之间的焊接。

进一步的，所述金属片的材料采用无氧铜、金、银或不锈钢，所述金属片为任意形状、如圆形或矩形。

进一步的，所述耦合腔盘片采用多排耦合孔，耦合孔的排数为1～10，耦合孔张角范围为 2°～30°。

更进一步的，所述慢波结构的每个周期内，耦合腔盘片和间隙腔盘片的数量相同，当耦合腔盘片的数量大于1时、耦合腔盘片采用相同或不同耦合孔排布。

综上，本发明的有益效果在于：

由于太赫兹频段慢波结构尺寸小，器件尺寸可以达到微米量级，结构复杂，存在镜像多孔等结构，整体加工的方法难度较大，特别是在二维方向实现三维耦合孔的加工，使得传统加工方式难度进一步增大，本发明提供的太赫兹高频***加工方法中，将周期性慢波结构的单个周期分割为周期性耦合腔盘片和周期性间隙盘片，大大降低了工艺难度，给毫米波、亚毫米波、太赫兹辐射源器件的集成性和小型化带来优势。同时，由于激光刻蚀的焊接方式适用于特种异形、细缝等部件的焊接，本发明中采用该种激光刻蚀的方式加工太赫兹器件周期性慢波结构，包括周期性耦合腔盘片的耦合孔的加工、以及周期性耦合腔盘片和周期性间隙盘片之间的焊接；这属于非“烧蚀”性的“冷加工”技术，避免产生热传导，有效克服传统焊接方式的缺点，不仅不存在热传导所引起的热损伤的问题，而且可获得精准设计的完美尺寸和极高的光洁度。

附图说明

图1是本发明实施例中多片叠加太赫兹高频***的剖面示意图；

图2是本发明实施例中多片叠加太赫兹高频***中单个周期的慢波结构示意图；

图3是本发明实施例中多片叠加太赫兹高频***中周期性耦合腔盘片的结构示意图；

图4是本发明实施例中多片叠加太赫兹高频***中周期性间隙盘片的结构示意图；

上述附图中：1为管体状外壳，1-1为上盖板，1-2为下盖板，2为周期性耦合腔盘片，2-1为外侧耦合孔，2-2为内侧耦合孔，2-3为电子注通道，3为周期性间隙腔盘片，4为信号输入组件，5为信号输出组件，6、7为端口。

图5是本发明实施例中多片叠加太赫兹高频***的色散曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种基于冷阴极的多片叠加太赫兹高频***，其结构如图1～图4所示；具体包括：管体状外壳1(包括其上、下端的上盖板1-1、下盖板1-2)、设置于管体状外壳内壁上的周期慢波结构2和3、信号输入组件4、以及信号输出组件5；其中，

所述周期慢波结构为耦合腔结构，由M(M＝3～200、本实施例中M＝6)个周期组成，每个周期由相互间隔设置的周期性耦合腔盘片2和周期性间隙腔盘片3构成；其中，周期性耦合腔盘片2中心位置开设电子注通道2-3、且围绕电子注通道设置有双排12个扇面状耦合孔(外侧耦合孔2-1和内侧耦合孔2-2)，使得高频场能够相互之间进行耦合，如图3所示；周期性间隙腔盘片3呈圆环状，其内径大于外侧耦合孔的外径；所有金属盘片之间互相连接，且固定于管体状外壳1的内壁上；

所述信号输入组件4的一端与外接输入窗片密封连接、构成信号输入模块，输入窗片的外端与输入波导相连接；进一步的，输入窗片的材料为介质，不影响电磁波传输的同时，保持器件内部的真空；信号输入组件4的另一端与高频互作用***中管体状外壳1的内部连通，且与管体状外壳1的外壁密封连接；

所述信号输出组件5的一端与外接输出窗片密封连接、构成信号输出模块，输出窗片的外端与输出波导相连接；进一步的，输出窗片的材料为介质，不影响电磁波传输的同时，保持器件内部的真空；信号输出组件5的另一端与高频互作用***中管体状外壳1的内部连通，且与管体状外壳1的外壁密封连接；

所述管体状外壳1靠近信号输入组件4的一端的中心位置开设端口6、连接电子枪，靠近信号输出组件5的一端的中心位置开设端口7、用于连接收集级。

需要说明的是，以上所述的周期慢波结构可以为休斯耦合腔慢波结构、盘荷波导慢波结构、或梯形耦合腔慢波结构；本发明的高频互作用结构仅为示意性的，包括但不限于以上慢波结构；同时耦合孔的设置也不限于给定的结构，可以为任意形状且数目也没有限定。

需要说明的是，本发明慢波结构单个周期的周期性金属盘片可由多片不同形状的周期性耦合腔盘片和周期性间隙腔盘片组成，如图2所示。

本实施例中，以激光刻蚀的加工方法，以一个工作于300GHz以上多片叠加的高频***为例，高频互作用***为空心圆柱(管体状外壳)内部加载周期慢波结构，周期慢波结构包括6个周期，每个周期由1个周期性耦合腔盘片和1个周期性间隙腔盘片构成；具体加工工艺及尺寸参数如下：

管体外壳材料为无磁不锈钢，内直径为Φ1mm、外直径为Φ1.4mm、长度为3.4mm；慢波结构左端与冷阴极电子枪焊接密封、两者保持在同一轴线，右端与收集级焊接密封、左上方与信号输入模块焊接密封，右上方与信号输出模块焊接密封；

对于周期性耦合腔盘片2，如图3所示；先加工一个无氧铜圆柱片，直径为Φ1mm、厚度为0.1mm；然后将无氧铜圆柱片放置于加工平台上固定住，获取该无氧铜圆柱片的切割路径，包括电子注通道、以及围绕于电子注通道设置的耦合孔的切割路径，控制激光沿所述切割路径切割形成切缝，并控制激光沿所述切缝的走向深入切割所述无氧铜圆柱片，从而在无氧铜圆柱片中心加工出直径为0.1mm的电子注通道2-3和内外半径距离为0.08mm的内侧耦合孔2-2与外侧耦合孔2-1，，并对所述无氧铜圆柱片被激光照射处进行吹风处理和负压吸尘处理，最终形成耦合腔盘片2。本实施例采用了一种优选的双排6叶耦合孔，内侧耦合孔内径为0.1mm、外径为0.18mm，外侧耦合孔内径为0.26mm、外径为0.34mm，耦合孔张角为30°；对于周期性间隙腔盘片3，如图4所示；先加工一个与耦合腔盘片相同(尺寸、材料) 的无氧铜圆柱片，直径为Φ1mm、厚度为0.1mm；然后将无氧铜圆柱片放置于加工平台上固定住，获取该无氧铜圆柱片的切割路径，即直径大于耦合腔盘片外侧耦合孔外直径的通孔的切割路径，控制激光沿所述切割路径切割形成切缝，并控制激光沿所述切缝的走向深入切割所述无氧铜圆柱片，从而在无氧铜圆柱片中心加工出直径为Φ0.8mm的通孔，并对所述无氧铜圆柱片被激光照射处进行吹风处理和负压吸尘处理，最终形成间隙腔盘片3。将周期性耦合腔盘片2和周期性间隙腔盘片3焊接在一起，组成一个周期的周期性金属盘片，即：慢波结构的周期为0.2mm；依此方式，加工出多片周期性耦合腔盘片2和周期性间隙腔盘片3，用激光刻蚀的加工方式，一片片叠加焊接，最终加工成周期性慢波结构。

利用微波电真空器件工艺将注波互作用结构各个部件进行组装焊接成为一个整体，包括太赫兹高频***，以及与其相连接的输入输出波导、电子枪和收集极；并进行真空排气，使得整个器件内部形成绝对的真空环境。

针对本实施例中基于冷阴极的多片叠加太赫兹高频***进行仿真测试，其色散曲线如图 5所示，由图可见，色散曲线与电子注电压线相交于工作点，其工作频率在340GHz左右。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.一种多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法，其特征在于，所述多片叠加太赫兹高频互作用***包括管体状外壳、设置于管体状外壳内侧的慢波结构、以及密封连接于管体状外壳外侧的信号输入组件与信号输出组件，其中所述慢波结构为由若干个周期依次连接构成的周期性耦合腔结构，每个周期由相互间隔设置的耦合腔盘片和间隙腔盘片构成；所述多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法包括以下步骤：

步骤1.耦合腔盘片加工：采用金属片，利用电化学刻蚀、粒子束刻蚀、线切割或激光刻蚀等工艺于金属圆柱片上加工得到位于中心位置的电子注通道、以及围绕于电子注通道设置的耦合孔，形成耦合腔盘片；

步骤2.间隙腔盘片加工：采用与耦合腔盘片相同(尺寸、材料)的金属片，利用电化学刻蚀、粒子束刻蚀、线切割或激光刻蚀等工艺于金属圆柱片上加工得到直径大于耦合腔盘片上耦合孔外直径的通孔，形成间隙腔盘片；

步骤3.采用电化学刻蚀、粒子束刻蚀、线切割或激光刻蚀等工艺完成慢波结构的单个周期内耦合腔盘片与间隙腔盘片的焊接，慢波结构若干个周期之间的焊接，以及慢波结构与管体状外壳内壁之间的焊接。

2.按权利要求1所述多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法，其特征在于，所述金属片的材料采用无氧铜、金、银或不锈钢，所述金属片为任意形状。

3.按权利要求1所述多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法，其特征在于，所述耦合腔盘片采用多排耦合孔，耦合孔的排数为1～10，耦合孔张角范围为2°～30°。

4.按权利要求1所述多片叠加太赫兹高频互作用***的加工方法，其特征在于，所述慢波结构的每个周期内，耦合腔盘片和间隙盘片的数量相同，当耦合腔盘片的数量大于1时、耦合腔盘片采用相同或不同耦合孔排布。

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