展宽太赫兹扩展互作用速调管带宽的多模重叠互作用电路

1.本发明涉及多模重叠互作用速调管技术领域，特别涉及展宽太赫兹扩展互作用速调管带宽的多模重叠互作用电路。

背景技术：

2.多模重叠互作用速调管(eik)是一种小型化、紧凑型的高功率辐射源具有高功率、高效率、高稳定性和长寿命的优点，在高功率毫米波雷达、远程高速无线通讯、毫米波电子对抗、国家安全、受控核聚变以及工业应用方面具有重要的应用。太赫兹多模重叠互作用速调管的高频结构一般由多个多间隙谐振腔组成，电子注和谐振腔中的注波进行互作用和能量交换进而输出射频信号。因此多间隙谐振腔体谐振模式的带宽决定了太赫兹多模重叠互作用速调管的带宽。
3.参差调谐是展宽多模重叠互作用速调管带宽的一般方法。这种方法通过调节器件中间腔的谐振频率，使其谐振频率分布在中心频率的上下，从而展宽器件带宽。另一种展宽多模重叠互作用速调管带宽的方法是在腔体内涂敷衰减材料，降低腔体的品质因数，提高谐振模式带宽。然而，随着多模重叠互作用速调管朝着太赫兹频段发展，器件的尺寸越来越小，微小加工误差也会导致腔体的谐振频率改变，影响器件的参差调谐，甚至使参差调谐失效。同样，过小的腔体尺寸也会使衰减材料的涂敷变得异常困难。

技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了展宽太赫兹扩展互作用速调管带宽的多模重叠互作用电路，以解决上述问题的其中之一。
5.作为本发明的第一个方面，提供了一种展宽太赫兹扩展互作用速调管带宽的多模重叠互作用电路，包括：依次连接的输入腔单元、中间腔单元和输出腔单元；
6.输入腔单元，所述输入腔单元被来自外部的太赫兹波信号激发而产生多模重叠谐振场；所述输入腔单元产生的多模重叠谐振场适用于与来自外部的电子注产生互作用以对来自外部的电子注进行调制；
7.中间腔单元，适用于在所述输入腔单元输出的电子注的激发下产生多模重叠谐振场，所述中间腔单元产生的多模重叠谐振场适用于与输入腔单元输出的电子注产生互作用从而对输入腔单元输出的电子注进行调制；
8.输出腔单元，适用于在所述中间腔单元输出的电子注的激发下产生多模重叠谐振场，所述输出腔单元产生的多模重叠谐振场适用于与所述中间腔单元输出的电子注产生互作用从而使所述输出腔产生的多模重叠谐振场从所述中间腔单元输出的电子注吸收能量，输出功率增大的太赫兹波信号；
9.其中，所述输入腔单元、所述中间腔单元和所述输出腔单元具有相同的多模模式，所述多模模式包括多个谐振模式，所述多个谐振模式各自对应的谐振频率与太赫兹多模重叠互作用速调管的工作频率的差值的绝对值与所述太赫兹多模重叠互作用速调管的工作
频率的比值均小于等于1％；所述多个谐振模式各自对应的相移角的最大值与最小值之间的差值小于等于所述电子注的速度位于所述多个谐振模式各自对应的前向波分量相速度的最大值与最小值之间。
10.根据本发明的实施例，所述输入腔单元包括一个输入腔，所述输入腔包括梯形结构；所述中间腔单元包括4个中间腔，每个中间腔包括所述梯形结构；所述输出腔单元包括一个输出腔，所述输出腔包括所述梯形结构；所述梯形结构包括沿轴向方向依次排列的14个梯形结构单元，所述14个梯形结构单元形成周期排列结构；所述输入腔、所述中间腔和所述输出腔具有所述多模模式；
11.每个所述梯形结构单元包括梯形结构单元本体，在所述梯形结构单元本体上依次形成有贯穿所述梯形结构单元本体的第一耦合腔、第二耦合腔和位于所述第一耦合腔和所述第二耦合腔之间的电子注通道，所述第一耦合腔、所述第二耦合腔和所述电子注通道之间通过间隙连通。
12.根据本发明的实施例，所述第一耦合腔的高度为0.18mm、宽度为0.4mm，所述第二耦合腔的高度为0.18mm、宽度为0.4mm，所述间隙的宽度为0.6mm、高度为0.4mm，所述电子注通道的半径为0.11mm，所述周期排列结构的周期长度为0.22mm。
13.根据本发明的实施例，所述输入腔单元还包括第一漂移管，所述第一漂移管设置于所述输入腔和所述中间腔之间；所述中间腔单元还包括多个第二漂移管，所述第二漂移管设置于两个相邻的中间腔之间以及所述中间腔与所述输出腔之间。
14.根据本发明的实施例，所述输入腔单元还设置有电子注注入端口，适用于向所述输入腔注入来自外部的电子注；
15.所述输出腔单元中还设置有电子注输出端口，适用于传输所述输出腔输出的能量被吸收的电子注。
16.根据本发明的实施例，所述输入腔的所有谐振模式的品质因数与所述输出腔的所有谐振模式的外部品质因数均小于1000。
17.根据本发明的实施例，所述多模重叠互作用电路还包括：
18.输入波导，适用于输入来自外部的太赫兹波信号；
19.第一耦合结构，适用于连接所述输入波导以及所述输入腔单元，所述第一耦合结构上形成有第一耦合孔，所述第一耦合孔适用于将来自于所述输入波导的太赫兹波信号输入至所述输入腔单元。
20.根据本发明的实施例，上述多模重叠互作用电路还包括：
21.第二耦合结构，与所述输出腔连接，所述第二耦合结构上形成有第二耦合孔，所述第二耦合孔适用于传输所述输出腔输出的功率增大的太赫兹波信号；
22.输出波导，适用于输出来自于所述第二耦合结构的所述功率增大的太赫兹波信号。
23.根据本发明的实施例，通过使输入腔单元、中间腔单元和输出腔具有相同的多模模式，且满足多模模式中的多个谐振模式各自对应的谐振频率与太赫兹多模重叠互作用速调管的工作频率的差值的绝对值与太赫兹多模重叠互作用速调管的工作频率的比值均小于或者等于1％，多个谐振模式各自的相移角的最大值与最小值之间的差值小于或者等于
电子注的速度位于多个谐振模式各自对应的前向波分量相速度的最大值与最小值之间，可以使得多模重叠互作用电路的带宽为各谐振模式的带宽之和，相对于只具有单一谐振模式的多模重叠互作用电路，提高了带宽。
附图说明
24.图1示意性示出了根据本发明实施例提供的多模重叠互作用电路的立体图；
25.图2示意性示出了根据本发明实施例提供的梯形结构的立体图；
26.图3示意性示出了根据本发明实施例提供的梯形结构单元的立体图；
27.图4示意性示出了根据本发明实施例提供的体型结构单元沿a1-a2方向的剖视图；
28.图5示意性示出了根据本发明实施例提供的多模重叠互作用电路的散曲线图；
29.图6示意性示出了根据本发明实施例提供的在不同的频率下的太赫兹波信号在具有多模重叠的多模重叠互作用电路的增益图；
30.图7示意性示出了输入太赫兹波信号功率为150mw时，得到的不同频率下的太赫兹波信号对应的输出功率图。
31.附图标记说明
32.1谐振腔模块
33.11输入腔单元
34.111第一漂移管
35.112电子注输入端口
36.12中间腔单元
37.121第二漂移管
38.13输出腔单元
39.131电子注输出端口
40.14梯形结构
41.141梯形结构单元
42.141-1梯形结构单元本体
43.141-2第一耦合腔
44.141-3第二耦合腔
45.141-4电子注通道
46.141-5间隙
47.2输入波导
48.3第一耦合结构
49.4第二耦合结构
50.5输出波导
具体实施方式
51.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
52.图1示意性示出了根据本发明实施例提供的多模重叠互作用电路的主视图。
53.如图1所示，多模重叠互作用电路包括：谐振腔模块1。谐振腔模块1包括：同轴排列且依次连接的输入腔单元11、中间腔单元12和输出腔单元13。输入腔单元11被来自外部的太赫兹波信号激发，产生多模重叠谐振场，输入腔单元11产生的多模重叠谐振场适用于与来自外部的电子注产生互作用以对来自外部的电子注进行调制。中间腔单元12适用于在输入腔输出的电子注的激发下产生多模重叠谐振场，中间腔单元12产生的多模重叠谐振场适用于与输入腔单元11输出的电子注产生互作用从而对输入腔单元11输出的电子注进行调制。输出腔单元13适用于在中间腔单元12输出的电子注的激发下产生多模重叠谐振场，输出腔单元13产生的多模重叠谐振场适用于与中间腔单元11输出的电子注产生互作用从而使输出腔产生的多模重叠谐振场从中间腔单元输出的电子注吸收能量，输出功率增大的太赫兹波信号。
54.其中，所述输入腔单元11、中间腔单元12和输出腔单元13具有相同的多模模式。多模模式包括多个谐振模式，多个谐振模式各自对应的谐振频率与太赫兹多模重叠互作用速调管的工作频率的差值的绝对值与太赫兹多模重叠互作用速调管的工作频率的比值均小于或者等于1％；多个谐振模式各自的相移角的最大值与最小值之间的差值小于或者等于电子注的速度位于多个谐振模式各自对应的前向波分量相速度的最大值与最小值之间满足上述条件的多模重叠互作用电路为多模重叠的互作用电路。
55.以多个谐振模式为两个谐振模式而言，应满足如下条件：
[0056][0057][0058][0059]
其中，式(1)-(2)中，f1和f2分别为两个谐振模式的谐振频率，f为多模重叠互作用速调管的工作频率。和分别为两个谐振模式对应的相移角。针对式(3)，c为光速，电子为注电压u0，工作频率为f，周期排列结构的周期长度为p。且该等式左右两侧均表示电子注速度，为多模重叠互作用电路的工作模式的相移角，和分别为两个谐振模式对应的太赫兹波信号的速度。
[0060]
对于eik(多模重叠互作用速调管)来说，谐振腔中的谐振模式的带宽就决定了多模重叠互作用速调管的带宽。这是因为，在中间腔单元中，若电子注携带的频率信息不在谐振模式的带宽范围内，电子注激发的多模重叠谐振场会非常弱，多模重叠谐振场场对电子注的调制也会很弱，这两种因素叠加起来，就会使得中间腔单元的失效。在输入腔单元中，输入信号不在谐振模式带宽范围内，大量的信号能量会被反射，输入腔单元中的多模重叠谐振场会很弱，对电子注的调制也会很弱。在输出腔单元中，若电子注携带的频率信息不在
带宽范围内，电子注激发的场会很弱，因此输出信号的能量就会很低。因此，输入腔单元、中间腔单元和输出腔单元的谐振模式的带宽共同决定了eik的带宽。
[0061]
根据本发明的实施例，多模重叠互作用电路一般由多个多模重叠互作用腔体组成。其中，谐振腔(包括输入腔单元、中间腔单元和输出腔单元)一般工作在单一的模式下，模式的带宽决定了器件的工作带宽。因此，可以设计腔体同时工作在两个或多个不同的谐振模式下，以展宽器件的带宽。
[0062]
根据本发明的实施例提供的多模重叠互作用电路，输入腔单元11、中间腔单元12和输出腔13具有相同的多个谐振模式，且多个谐振模式各自的谐振频率之间的差值均小于或者等于3％，即输入腔单元11、中间腔单元12和输出腔13的多个谐振模式互相重叠，同时，多个谐振模式各自的同步电压与电子注的电压的差均小于预设阈值，即输入腔单元11、中间腔单元12和输出腔13的多个互相重叠的多个谐振模式(多模重叠的谐振模式)均可以与电子注产生互作用，因此，本发明实施例提供的多模重叠互作用电路的带宽即为多个谐振模式的带宽之和，相对于输入腔单元11、中间腔单元12和输出腔13只具有一种谐振模式的多模重叠互作用电路，本技术的多模重叠互作用电路能够扩大带宽。
[0063]
根据本发明的实施例，其中，输入腔单元11包括一个输入腔，中间腔单元12包括4个中间腔，输出腔单元13包括一个输出腔。输入腔、中间腔和输出腔均为谐振腔且具有相同的多模模式；输入腔、中间腔和输出腔在多模模式下产生的多模重叠谐振场均用来对电子注进行速度调制。如图2所示，输入腔、输出腔、中间腔包括相同的梯形结构14，梯形结构14包括多个梯形结构单元141，且多个梯形结构单元形成周期排列结构。如图3-图4所示，每个梯形结构单元包括梯形结构单元本体141-1，在梯形结构单元本体141-1上依次形成有贯穿梯形结构单元本体141-1的第一耦合腔141-2、第二耦合腔141-3和位于第一耦合腔和第二耦合腔之间的电子注通道141-4，第一耦合腔、第二耦合腔和电子注通道141-4之间通过间隙141-5连通。电子注通道141-4的数量可以是一个或者多个，多个电子注通道可以均匀的分布在耦合间隙上，形状可以为圆柱形或者其他形状，多个电子注通道可以均匀的分布在耦合间隙上。
[0064]
根据本发明的实施例，第一耦合腔141-2的尺寸、所述第二耦合腔141-3的尺寸、间隙141-5的尺寸、周期排列结构的周期长度、以及梯形结构单元141的个数被配置为使输入腔、中间腔和输出腔均具有多个谐振模式，且满足多个谐振模式各自对应的谐振频率与太赫兹多模重叠互作用速调管的工作频率的差值的绝对值与所述太赫兹多模重叠互作用速调管的工作频率的比值均小于或者等于1％，多个谐振模式各自对应的相移角的最大值与最小值之间的差值小于或者等于且使电子注的速度位于多个谐振模式各自对应的前向波分量相速度的最大值与最小值之间。举例而言，中间腔的个数为4个，第一耦合腔的高度为0.18mm、宽度为0.4mm，第二耦合腔的高度为0.18mm、宽度为0.4mm，间隙的宽度为0.6mm，高度为0.4mm，电子注通道半径为0.11mm，周期长度为0.22mm，梯形结构单元的个数为14个。
[0065]
根据本发明的实施例，输入腔单元11还包括第一漂移管111设置于输入腔和中间腔之间。中间腔单元还包括多个第二漂移管121设置于两个相邻的中间腔之间以及中间腔与输出腔之间，各漂移管适用于对电子注进行密度调制。
[0066]
根据本发明的实施例，多模重叠互作用电路还包括：输入波导2、第一耦合结构3第
二耦合结构4、输出波导5。输入波导2适用于输入来自外部的太赫兹波信号。第一耦合结构3适用于连接输入波导以及输入腔单元13，第一耦合结构3上形成有第一耦合孔，第一耦合孔适用于将来自于输入波导2的太赫兹波信号输出至输入腔单元11。第二耦合结构4与输出腔单元连接，第二耦合结构4上形成有第二耦合孔，第二耦合孔适用于传输输出腔输出的功率增大的太赫兹波信号。输出波导5适用于输出来自于第二耦合结构的频率增大的太赫兹波信号。输出腔单元12中还设置有电子注输出端口131，适用于传输输出腔输出的能量被吸收的电子注。
[0067]
根据本发明的实施例，例如，输入波导2和输出波导3的长度均为0.51mm，宽度均为0.25mm。输入波导2和输出波导3的上、下耦合孔的长度均为0.45mm，宽度均为0.2mm，高度均为0.2mm。每个谐振腔的梯形单元数为n。五个漂移管的长度均为0.44mm。电流为0.15a。磁感应强度为0.6t。以保证输入腔所有谐振模式的品质因数与输出腔的所有谐振模式的外部品质因数小于1000，从而增大太赫兹波信号输入至谐振腔单元1的功率，以及增大太赫兹波信号自谐振腔单元1的输出功率，有利于进一步扩大带宽。
[0068]
以下列举具体实施例，对本发明实施例提供的多模重叠互作用速调管进行说明。
[0069]
参考图1-4，多模重叠互作用速调管的多模重叠互作用电路，包括输入腔、四个中间腔、输出腔、以及五段漂移管。输入腔一侧为电子注输入端口112，另一侧通过第一漂移管连接第一个中间腔，输入腔通过一个第一耦合结构3的第一耦合孔与输入波导2连接。四个中间腔通过第二漂移管依次连接。输出腔一侧通过第第二段漂移管连接第四个中间腔，另一侧为电子注输出端口131，用于连接多模重叠互作用电路的收集极，并通过第二耦合结构3的第二输出耦合孔与输出波导5连接。
[0070]
输入腔、中间腔和输出腔包括多个轴向方向排列的梯形结构单元，每组相邻的梯形结构单元之间的周期长度相同，且腔中均含有十四个梯形结构单元。梯形结构单元包括第一耦合腔(即上耦合腔)141-2、第二耦合腔(即下耦合腔)141-3和间隙141-5，上、下耦合腔相同，间隙中心为电子注通道。五段漂移管为内径与电子注通道半径相同的圆波导结构。输入腔和输出腔的耦合孔相同，位置对称。输入腔、中间腔、输出腔和漂移管均为无氧铜材料。针对输入腔、中间腔、输出腔而言，上下耦合腔的高度为0.18mm、宽度为0.4mm，谐振间隙的宽度为0.6mm，高度为0.4mm，相邻间隙之间的周期长度为0.22mm，电子注通道半径为0.11mm。输入波导2和输出波导5的长度为0.51mm，宽度为0.25mm。耦合孔(包括第一耦合孔和第二耦合孔)的长度为0.45mm，宽度为0.2mm，高度为0.2mm。五个漂移管的长度均为0.44mm。
[0071]
在上述结构参数下，得到多模重叠互作用电路，其谐振腔(包括输入腔、输出腔和中间腔)的散曲线如图5所示。互作用速调管的腔体的多个谐振模式为2π模式和相邻的π/13模式，这两个谐振模式对应的谐振频率分别在340ghz和338ghz左右、对应的太赫兹波信号的同步电压分别为16.7kv和18.1kv。当电子注电压在16.7kv和18.1kv之间时，电子注和两种工作模式均能进行有效的注-波互作用。这是由于，谐振模式对应的同步电压和该谐振模式下的前向波分量的相速度存在一一对应的关系，当电子注散线位于两个谐振模式散点之间时，电子注与两种谐振模式场均发生强相互作用，因此，当电子注电压位于两种谐振模式对应的太赫兹波信号的同步电压之间时，电子注可以与两种谐振模式的谐振场产生互作用。
[0072]
当电子注电压为17.85kv，电子注电流为0.15a，用于聚焦电子注的磁感应强度为0.6t。如图6所示，该速调管在10mw、50mw和150mw的输入功率的驱动下，3db带宽均达到2.9ghz，最高增益分别为25.9db、25.3db和23.4db。
[0073]
图7为输入太赫兹波信号功率为150mw时，得到的不同频率下的太赫兹波信号对应的输出功率图，其中，横坐标是仿真时间，纵坐标是输出腔输出的功率。从图7可以看出，利用本发明实施例提供的太赫兹互作用速调管能在一段时间内稳定输出信号，没有起振。
[0074]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种用于展宽太赫兹扩展互作用速调管带宽的多模重叠互作用电路，包括依次连接的输入腔单元、中间腔单元和输出腔单元；输入腔单元，所述输入腔单元被来自外部的太赫兹波信号激发而产生多模重叠谐振场；所述输入腔单元产生的多模重叠谐振场适用于与来自外部的电子注产生互作用以对来自外部的电子注进行调制；中间腔单元，适用于在所述输入腔单元输出的电子注的激发下产生多模重叠谐振场，所述中间腔单元产生的多模重叠谐振场适用于与输入腔单元输出的电子注产生互作用从而对输入腔单元输出的电子注进行调制；输出腔单元，适用于在所述中间腔单元输出的电子注的激发下产生多模重叠谐振场，所述输出腔单元产生的多模重叠谐振场适用于与所述中间腔单元输出的电子注产生互作用从而使所述输出腔产生的多模重叠谐振场从所述中间腔单元输出的电子注吸收能量，输出功率增大的太赫兹波信号；其中，所述输入腔单元、所述中间腔单元和所述输出腔单元具有相同的多模模式，所述多模模式包括多个谐振模式，所述多个谐振模式各自对应的谐振频率与太赫兹多模重叠互作用速调管的工作频率的差值的绝对值与所述太赫兹多模重叠互作用速调管的工作频率的比值均小于等于1％；所述多个谐振模式各自对应的相移角的最大值与最小值之间的差值小于等于所述电子注的速度位于所述多个谐振模式各自对应的前向波分量相速度的最大值与最小值之间。2.根据权利要求1所述的多模重叠互作用电路，其中，所述输入腔单元包括一个输入腔，所述输入腔包括梯形结构；所述中间腔单元包括4个中间腔，每个中间腔包括所述梯形结构；所述输出腔单元包括一个输出腔，所述输出腔包括所述梯形结构；所述梯形结构包括沿轴向方向依次排列的14个梯形结构单元，所述14个梯形结构单元形成周期排列结构；所述输入腔、所述中间腔和所述输出腔具有所述多模模式；每个所述梯形结构单元包括梯形结构单元本体，在所述梯形结构单元本体上依次形成有贯穿所述梯形结构单元本体的第一耦合腔、第二耦合腔和位于所述第一耦合腔和所述第二耦合腔之间的电子注通道，所述第一耦合腔、所述第二耦合腔和所述电子注通道之间通过间隙连通。3.根据权利要求2所述的多模重叠互作用电路，其中，所述第一耦合腔的高度为0.18mm、宽度为0.4mm，所述第二耦合腔的高度为0.18mm、宽度为0.4mm，所述间隙的宽度为0.6mm、高度为0.4mm，所述电子注通道的半径为0.11mm，所述周期排列结构的周期长度为0.22mm。4.根据权利要求2所述的多模重叠互作用电路，其中，所述输入腔单元还包括第一漂移管，所述第一漂移管设置于所述输入腔和所述中间腔之间；所述中间腔单元还包括多个第二漂移管，所述第二漂移管设置于两个相邻的中间腔之间以及所述中间腔与所述输出腔之间。5.根据权利要求2所述的多模重叠互作用电路，其中，所述输入腔单元还设置有电子注注入端口，适用于向所述输入腔注入来自外部的电子注；所述输出腔单元中还设置有电子注输出端口，适用于传输所述输出腔输出的能量被吸收的电子注。
6.根据权利要求1所述的多模重叠互作用电路，其中，所述输入腔的所有谐振模式的品质因数与所述输出腔的所有谐振模式的外部品质因数均小于1000。7.根据权利要求1所述的多模重叠互作用电路，其中，所述多模重叠互作用电路还包括：输入波导，适用于输入来自外部的太赫兹波信号；第一耦合结构，适用于连接所述输入波导以及所述输入腔单元，所述第一耦合结构上形成有第一耦合孔，所述第一耦合孔适用于将来自于所述输入波导的太赫兹波信号输入至所述输入腔单元。8.根据权利要求1所述的多模重叠互作用电路，其中，还包括：第二耦合结构，与所述输出腔连接，所述第二耦合结构上形成有第二耦合孔，所述第二耦合孔适用于传输所述输出腔输出的功率增大的太赫兹波信号；输出波导，适用于输出来自于所述第二耦合结构的所述功率增大的太赫兹波信号。

技术总结

一种展宽太赫兹扩展互作用速调管带宽的多模重叠互作用电路，该多模重叠互作用电路包括：输入腔单元、中间腔单元和输出腔单元。输入腔单元被来自外部的太赫兹波信号激发产生多模重叠谐振场，输入腔单元产生的多模重叠谐振场与来自外部的电子注产生互作用，从而对来自外部的电子注进行调制；中间腔单元在输入腔单元输出的电子注的激发下产生多模重叠谐振场，中间腔单元产生的多模重叠谐振场对输入腔单元输出的电子注进行调制；输出腔单元在中间腔单元输出的电子注的激发下产生多模重叠谐振场，同时与中间腔单元输出电子注产生互作用进一步获得能量，使与输入信号同频率的太赫兹高频场进一步增强，并输出功率增大的太赫兹波信号。号。号。