一種工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微波真空電子器件領(lǐng)域，特別是涉及一種工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)于太赫茲輻射源的要求日益增強(qiáng)，能否研發(fā)出一種實(shí)用化、大功率、可調(diào)諧太赫茲輻射源對(duì)太赫茲科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。返波振蕩器是一種微波真空電子器件，是一種常用的毫米波源以及極具發(fā)展?jié)摿μ掌澼椛湓?，它利用慢波結(jié)構(gòu)上的返波與電子注相互作用而產(chǎn)生微波振蕩，可在很寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)電子調(diào)諧，但是隨著頻率的提升，小尺寸給電子光學(xué)系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)帶來(lái)了很大的技術(shù)挑戰(zhàn)，造成返波振蕩器的功率量級(jí)下降很快，無(wú)法滿(mǎn)足太赫茲遠(yuǎn)程成像和太赫茲頻譜分析等大功率應(yīng)用的需要。
[0003]如圖1所示，梳狀線(xiàn)是目前太赫茲返波振蕩器最常用的慢波結(jié)構(gòu)，由槽模區(qū)1-1，腔模區(qū)1-2組成，電子注1-3在槽模區(qū)與電磁波進(jìn)行注波互作用。梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)適用于太赫茲返波振蕩器主要由于其具有以下特點(diǎn):第一，慢波結(jié)構(gòu)的二維結(jié)構(gòu)與微加工工藝兼容，可以容易通過(guò)UV-LIGA (Vacuum-Lithographie Galanoformung Abformung,真空紫外線(xiàn)-光亥丨J、電鑄和注塑)或DRIE (Deep Reactive 1n Etching，深反應(yīng)離子刻蝕)等微加工工藝實(shí)現(xiàn)；第二，慢波結(jié)構(gòu)的基波為前向波，利用其-1次反向空間諧波作為工作模式，可以獲得適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉洼^高耦合阻抗；第三，慢波結(jié)構(gòu)的耦合結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)其他組件，例如獲得返波振蕩器的匹配吸收器和功率輸出系統(tǒng)等。因此，梳狀線(xiàn)相對(duì)于折疊波導(dǎo)或金屬柱陣列慢波結(jié)構(gòu)分別在耦合阻抗量級(jí)和耦合難度方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。即便如此，在太赫茲返波振蕩器研制中，利用梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高頻率和大功率性能時(shí)也需要克服小尺寸帶來(lái)的技術(shù)難題。
[0004]如圖2所示，梳狀線(xiàn)的色散曲線(xiàn)呈現(xiàn)通帶和止帶間隔排列的特性，在色散曲線(xiàn)中自下到上的區(qū)域分別為下截止區(qū)S0、低次通帶槽模區(qū)Tl、第一止帶SI和高次通帶腔模區(qū)T2。一般的梳狀線(xiàn)工作在槽模，無(wú)法直接選用高次通帶的腔模區(qū)，這是因?yàn)?第一，梳狀線(xiàn)在腔模區(qū)不具有電子注通道，第二，無(wú)法避免低次通帶的模式競(jìng)爭(zhēng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高頻率和大功率性能較差的問(wèn)題。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)，包括:
[0007]腔模區(qū)，由一系列直波導(dǎo)組成矩形諧振腔陣列；電子注通道貫穿直波導(dǎo)組成矩形諧振腔陣列，用以傳輸電子注；注波互作用發(fā)生在所述腔模區(qū)。
[0008]進(jìn)一步，所述梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)還包括:
[0009]不再傳輸電子注的槽模區(qū)。
[0010]進(jìn)一步，所述梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)還包括:
[0011]過(guò)渡區(qū)，連接所述槽模區(qū)和腔模區(qū)，作為濾波電路將工作在低次通帶的低頻率槽模電磁場(chǎng)限制在槽模區(qū)，并與腔模區(qū)隔離。
[0012]本發(fā)明有益效果如下:
[0013]本發(fā)明的慢波結(jié)構(gòu)具有適用于高次通帶工作和不受低通帶模式競(jìng)爭(zhēng)影響的特點(diǎn)，可以提尚太赫茲返波振蕩器的功率性能。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是現(xiàn)有梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是現(xiàn)有梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)色散曲線(xiàn)示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明實(shí)施例中一種工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中慢波結(jié)構(gòu)低通帶槽模和高通帶腔模的-1次返波色散特性比較圖；
[0018]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中慢波結(jié)構(gòu)低通帶槽模和高通帶腔模的-1次返波軸線(xiàn)耦合阻抗比較圖；
[0019]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中慢波結(jié)構(gòu)單周期低通帶槽模二維電場(chǎng)圖；
[0020]圖7是本發(fā)明實(shí)施例中慢波結(jié)構(gòu)單周期高通帶腔模二維電場(chǎng)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖以及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明。
[0022]本發(fā)明為了獲得適用大功率太赫茲返波振蕩器的慢波結(jié)構(gòu)，在保持梳狀線(xiàn)固有的微加工兼容性、冷特性參數(shù)好和簡(jiǎn)單耦合優(yōu)勢(shì)條件下，將互作用區(qū)設(shè)置在梳狀線(xiàn)的腔模區(qū)域，通過(guò)小尺寸波導(dǎo)作為濾波電路連接槽模區(qū)域和腔模區(qū)域，利用其下截止特性將槽模電磁場(chǎng)隔離到互作用區(qū)外，解決低通帶可能存在的模式競(jìng)爭(zhēng)，使電子注通道附近只存在所需的腔模電磁場(chǎng)。
[0023]如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例涉及一種工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)，包括:
[0024]槽模區(qū)1，不再傳輸電子注；
[0025]注波互作用發(fā)生在腔模區(qū)2，由一系列直波導(dǎo)3組成矩形諧振腔陣列；電子注通道4貫穿直波導(dǎo)3組成矩形諧振腔陣列，用以傳輸電子注5 ;
[0026]過(guò)渡區(qū)6，在幾何結(jié)構(gòu)上連接槽模區(qū)I和腔模區(qū)2，在物理上作為濾波電路將工作在低次通帶的低頻率槽模電磁場(chǎng)限制在槽模區(qū)并與腔模區(qū)隔離，該電路對(duì)工作于高次模式的高頻率電磁場(chǎng)分布影響很小。
[0027]本發(fā)明創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的慢波結(jié)構(gòu)，具有適用于高次通帶工作和不受低通帶模式競(jìng)爭(zhēng)影響的特點(diǎn)，可以提尚太赫茲返波振蕩器的功率性能。
[0028]任意選擇一種工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)，設(shè)定結(jié)構(gòu)尺寸(單位: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表示槽模和腔模區(qū)波導(dǎo)的寬邊長(zhǎng)，b表示槽模區(qū)波導(dǎo)的窄邊長(zhǎng)，P表示腔模區(qū)直波導(dǎo)的陣列的周期，d表不直波導(dǎo)的窄邊長(zhǎng)，h表不直波導(dǎo)的長(zhǎng)度，rc表不電子注通道的半徑，X表不過(guò)渡區(qū)波導(dǎo)的寬邊長(zhǎng)，I表示過(guò)渡區(qū)波導(dǎo)的長(zhǎng)度，t表示電子注通道中心距離直波導(dǎo)底部的距離。
[0029]利用三維電磁軟件對(duì)本發(fā)明的慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，計(jì)算得到低通帶槽模和高通帶腔模的色散曲線(xiàn)和軸線(xiàn)耦合阻抗，模擬結(jié)果如圖4和圖5所示，單周期低通帶槽模和高通帶腔模的場(chǎng)分布如圖6和圖7所不。
[0030]圖4為本發(fā)明慢波結(jié)構(gòu)低通帶槽模和高通帶腔模的-1次返波色散特性比較圖，結(jié)果顯示本發(fā)明慢波結(jié)構(gòu)高通帶腔模比低通帶槽模具有更高的工作電壓，需要對(duì)新型慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作電壓設(shè)計(jì)，將其設(shè)置在合適的范圍內(nèi)，高通帶腔模和低通帶槽模有一段頻域具有相同的相光速比，說(shuō)明在此范圍內(nèi)工作電壓與兩個(gè)通帶同時(shí)同步；
[0031]圖5為本發(fā)明慢波結(jié)構(gòu)低通帶槽模和高通帶腔模的-1次返波軸線(xiàn)耦合阻抗比較圖，結(jié)果顯示本發(fā)明慢波結(jié)構(gòu)高通帶腔模比低通帶槽模具有更高的耦合阻抗，在高通帶腔模和低通帶槽模的同步區(qū)，腔模軸線(xiàn)耦合阻抗遠(yuǎn)大于槽模耦合阻抗，說(shuō)明通過(guò)合理設(shè)計(jì)慢波電路尺寸，可以使返波振蕩器在高通帶腔模起振，在低通帶不起振，能夠解決高通帶工作時(shí)的低通帶模式競(jìng)爭(zhēng)；
[0032]圖6為發(fā)明慢波結(jié)構(gòu)單周期低通帶槽模二維電場(chǎng)圖，結(jié)果顯示低通帶槽模電磁場(chǎng)被濾波電路與互作用區(qū)有效的隔離，可以解決低通帶槽模模式競(jìng)爭(zhēng)；
[0033]圖7為本發(fā)明慢波結(jié)構(gòu)單周期高通帶腔模二維電場(chǎng)圖，結(jié)果顯示高通帶腔模電磁場(chǎng)集中在互作用區(qū)，如果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提升太赫茲返波振蕩器性能。
[0034]本發(fā)明的新型梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)中，在保持梳狀線(xiàn)優(yōu)勢(shì)外，通過(guò)使慢波結(jié)構(gòu)工作在高次通帶腔模，實(shí)現(xiàn)在相同的幾何尺寸下的更高頻率的大功率應(yīng)用。為了將高次通帶作為工作模式，除了在腔模區(qū)額外增加電子注通道外，還利用小尺寸波導(dǎo)作為濾波電路，利用其下截止特性，將低頻率槽模電磁場(chǎng)隔離到互作用區(qū)外，解決高通帶工作中可能存在的低通帶模式競(jìng)爭(zhēng)，返波振蕩器可以利用本發(fā)明的慢波結(jié)構(gòu)的高次通帶-1次空間諧波，可以提高太赫茲返波振湯器的功率性能。
[0035]盡管為示例目的，已經(jīng)公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到各種改進(jìn)、增加和取代也是可能的，因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)不限于上述實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 腔模區(qū)，由一系列直波導(dǎo)組成矩形諧振腔陣列；電子注通道貫穿直波導(dǎo)組成矩形諧振腔陣列，用以傳輸電子注；注波互作用發(fā)生在所述腔模區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)還包括: 不再傳輸電子注的槽模區(qū)。
3.如權(quán)利要求2所述的工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)還包括: 過(guò)渡區(qū)，連接所述槽模區(qū)和腔模區(qū)，作為濾波電路將工作在低次通帶的低頻率槽模電磁場(chǎng)限制在槽模區(qū)，并與腔模區(qū)隔離。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種工作在高次通帶的梳狀線(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)，包括：腔模區(qū)，由一系列直波導(dǎo)組成矩形諧振腔陣列；電子注通道貫穿直波導(dǎo)組成矩形諧振腔陣列，用以傳輸電子注；注波互作用發(fā)生在所述腔模區(qū)。本發(fā)明的慢波結(jié)構(gòu)具有適用于高次通帶工作和不受低通帶模式競(jìng)爭(zhēng)影響的特點(diǎn)，可以提高太赫茲返波振蕩器的功率性能。
【IPC分類(lèi)】H01J23-28
【公開(kāi)號(hào)】CN104538271
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410835073
【發(fā)明人】蔡軍, 馮進(jìn)軍
【申請(qǐng)人】中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十二研究所
【公開(kāi)日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月29日