一种倍频返波振荡器及谐波放大方法与流程

1.本发明涉及真空电子器件领域，具体涉及一种倍频返波振荡器及谐波放大方法。


背景技术：

2.返波管作为重要的大功率辐射源器件，其结构紧凑，具有较大的频率调谐范围，并且其输出不受负载影响，能产生频率稳定的输出信号，能在毫米波乃至太赫兹波段产生高功率、宽频带、高效率的电磁辐射。因此，返波管常被当作产生微波、毫米波、thz的辐射源。
3.目前，太赫兹返波管的输出功率处于毫瓦量级的水平，需要向更高的输出功率发展。现有技术中，提高返波管的输出功率的方法大致可分为三种：其一，将多个相同的返波管产生的信号进行合成输出，但该方法对各个信号的频率和相位的一致性要求苛刻，实现难度大，并且每个返波管都需要独立的电子光学系统，采用直接合成返波管信号的方式必然会面临整体器件的体积和重量都过大的问题；其二，针对已有的太赫兹返波管，优化其电子枪、聚焦系统、电子收集极等设计，同时提高器件的加工精度，最终达到提高输出功率、改善性能的目的，但是该方法仅通过改善相关部件、提升加工精度来增加返波管的输出，对功率的提升比较有限；其三，通过探索新的慢波结构来改善返波管的高频特性来提升返波管的各项性能，该方法能够直接改进慢波结构的性质，具有研究前景，但慢波结构的设计由于尺寸微小，加工的难度大、生产成本高。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的在于提供一种倍频返波振荡器，该倍频返波振荡器设置有两个慢波结构，利用一个慢波结构中的电子注起振形成的电磁波调制另一个慢波结构中的电子注，能够有效地降低起振电流密度，更快地提取高频电磁波，提高基频输出功率，快速获得倍频输出，显著地改善输出性能。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.一种倍频返波振荡器，包括第一慢波结构和第二慢波结构，所述第一慢波结构包括第一电子注通道、以及沿所述第一电子注通道延伸的第一光栅，所述第二慢波结构包括第二电子注通道、以及沿所述第二电子注通道延伸的第二光栅和第三光栅，所述第三光栅的工作频率为所述第一光栅、第二光栅的工作频率的n倍，其中n为正整数，所述第一电子注通道和第二电子注通道之间连接有连接波导，所述第二电子注通道上设置有第一输出口。
7.本技术方案中，倍频返波振荡器包括第一、第二慢波结构，第一、第二慢波结构可以是两根并行的慢波结构，也可以是两个堆叠的慢波结构，优选地，第一慢波结构为下层慢波结构，第二慢波结构为上层慢波结构。
8.本技术方案中，第一慢波结构包括第一电子注通道，第一电子注通道与振荡器自带的或外部的电子注发生单元连接，以向第一电子注通道内输入第一电子注。第一慢波结构还包括沿第一电子注通道延伸方向的第一光栅，第一光栅可以是平板光栅、对称光栅或交错光栅，优选地，第一光栅为平板光栅。沿第一电子注通道传输的第一电子注在经过第一
光栅的周期结构时将激发出第一电磁波，通过慢波电路的选频特性，电子注与特定频率的第一电磁波发生互作用，第一电子注发生速度、密度调制，进而产生群聚，最终第一电子注将能量交换给第一电磁波。
9.本技术方案中，第二慢波结构包括第二电子注通道，类似地，第二电子注通道与振荡器自带的或外部的电子注发生单元连接，以向第二电子注通道内输入第二电子注。第二慢波结构还包括沿第二电子注通道延伸的第二光栅和第三光栅，第三光栅作为倍频区域，其工作频率被设置为第一光栅、第二光栅的n倍。
10.第二慢波结构和第一慢波结构之间设置的连接波导连通第一、第二电子注通道，以使得第一电子注通道内产生的第一电磁波能够经连接波导传输至第二电子注通道内。本技术方案中，连接波导在电子注传输的断面上的面积应小于电子注传输断面的面积，以使得第二电子注通道内的第二电子注经调制后能够继续经过连接波导的连接口所在断面继续向第三光栅移动，并在第三光栅的作用下倍频输出，提取数倍频的电磁波，经第二输出口输出。
11.本技术方案中，第一光栅、第二光栅的工作频率相较于倍频的第三光栅更低，低频的第一电子注在经过第一光栅时更容易起振，也更容易与产生的第一电磁波产生互作用，随后第一电磁波经连接波导传输至工作频率与第一光栅相同的第二光栅，在与第二光栅耦合后快速对第二电子注进行调制产生第二电磁波，不仅有效地提高了第二电子注的调制效果，而且显著地提高了第二电磁波的输出功率；随后，经调制后的第二电子注在经过第三光栅时能够快速提取倍频的功率，进而有效的降低了第三光栅的起振电流密度，使产生的第三电磁波的效率大幅提升。
12.在部分实施例中，可以在第二电子注通道上开设两个输出口，一个用于输出基频的第二电磁波和部分第一电磁波，另一个用于输出倍频的第三电磁波。
13.本技术方案中，采用一个慢波结构对一束电子注起振产生电磁波，再将电磁波输送至另一个慢波结构中调制另一束电子注，能够显著地提升输出效率，缩短起振时间，为太赫兹真空电子器件的发展提供了一种新的思路。
14.作为本发明的一个优选实施方案，沿电子注通道的延伸方向，所述第一光栅的长度大于所述第二光栅的长度。第一光栅和第二光栅的工作频率相同以使得第一光栅产生的电磁波在与第一电子注互作用后能够快速调制经过第二光栅的第二电子注。本技术方案中，第一光栅的长度需要足够长以使得第一电子注在经过时有足够的空间起振，而第二光栅主要用于第一电磁波快速调制第二电子注，因此第二光栅的空间可以足够小以为连接波导、第三光栅提供足够的空间。
15.在部分优选的实施例中，所述第一光栅的长度为第二光栅的长度的2～10倍。优选地，第一光栅的长度为第二光栅的长度的2～5倍。
16.作为本发明的另一个优选实施方案，所述第一电子注通道上设置有第一布拉格反射器，所述第一布拉格反射器位于所述第一电子注通道的入口和第一光栅之间。第一电子注通道内设置的第一布拉格反射器用于对第一光栅产生的返波信号，即第一电磁波进行截止与反射，使得第一电磁波信号主要通过连接波导输出至第二电子注通道内，有效地避免了第一电磁波对第一电子注在漂移管区的调制，实现了对第一光栅输出功率的增加，以及使输出频谱更加纯净。
17.进一步地，所述第二电子注通道上设置有第二布拉格反射器、第三布拉格反射器和第二输出口，所述第二输出口、第二光栅、连接波导位于所述第二布拉格反射器和第三布拉格反射器之间。本技术方案中，第二电子注通道上设置的第二、第三布拉格反射器用于对第二光栅产生的第二电磁波进行截止与反射，使得第二电磁波主要通过第二输出口输出，进一步提高了第二电磁波的输出功率。此外，利用第二、第三布拉格反射器，实现了第二、第三电磁波的双频输出。
18.进一步地，所述第二电子注通道上设置第四布拉格反射器，所述第四布拉格反射器位于所述第二光栅和第三光栅之间。第四布拉格反射器用于对第三光栅上产生的第三电磁波进行截止与反射，使得第三电磁波主要通过第一输出口输出，进而降低第三电磁波起振电流密度，减小起振时间，改善输出性能。
19.进一步地，所述第一电子注通道和第二电子注通道连通有电子注发射面，所述电子注发射面用于向第一电子注通道、第二电子注通道发射速度相同的电子注。本技术方案中，第一、第二电子注通道均连通有电子注发射面，电子注发射面向第一电子注、第二电子注中分别发射第一电子注和第二电子注，两束电子注同时工作，速度相同、电压相同，最终实现振荡器的双频输出。
20.进一步地，所述电子注为带状电子注。
21.在部分优选的实施例中，所述n为2～5，即第三光栅的工作频率是第一、第二光栅的工作频率的2～5倍，进一步优选地，n为2或3。
22.进一步地，所述第一光栅的工作频率为50～200ghz。
23.进一步地，所述第一光栅、第二光栅、第三光栅独自地选自平板光栅、对称光栅或交错光栅。
24.本发明的另一个目的在于提供一种基于前述任一种倍频返波振荡器的谐波放大方法，具体地，所述谐波放大方法具体包括以下步骤：
25.第一电子注进入至第一电子注通道，第二电子注进入至第二电子注通道；
26.第一电子注经过第一光栅激发出第一电磁波，所述第一电磁波与第一电子注互作用后经连接波导传输至第二电子注通道；
27.进入第二电子注通道的第一电磁波与第二光栅耦合后对第二电子注进行调制、产生的第二电磁波经第二输出口输出，之后第二电子注经过第三光栅调制产生倍频的第三电磁波，所述第三电磁波经第一输出口输出。
28.本技术方案中，利用第一电子注起振产生的第一电磁波对第二电子注进行调制，经调制的第二电子注经第二光栅、第三光栅时产生的第二、第三电磁波在更低的电流密度下快速起振，改善了输出性能。
29.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
30.1、本发明采用一个慢波结构对一束电子注起振产生电磁波，再将电磁波输送至另一个慢波结构中调制另一束电子注，能够显著地提升输出功率，缩短起振时间，为太赫兹真空电子器件的发展提供了一种新的思路；
31.2、本发明通过将工作频率相同的第一光栅、第二光栅的长度设置为第一光栅的长度为第二光栅的长度的2～10倍，使得第一光栅具有足够的空间使得第一电子注起振，同时第二光栅具有足够的空间允许电磁波快速调制第二电子注，同时为连接波导、第三光栅提
供足够的空间以使得倍频返波振荡器整体结构紧凑；
32.3、本发明利用至少一个布拉格反射器对电磁波进行截止与反射，使得产生的各电磁波主要沿特定的方向移动，进一步提高了电磁波的输出功率，同时使输出频谱更加纯净；
33.4、本发明采用频率相同、速度相同、电压相同的两束电子注同时工作、同时调节，最终实现双频输出。
附图说明
34.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
35.图1为本发明具体实施例中倍频返波振荡器的结构示意图；
36.图2为单独110ghz平板梳形慢波结构返波管输出功率结果图(a)、本发明具体实施例中经第二输出口输出的第二电磁波的输出功率结果图(b)与频谱图(c)；
37.图3为本发明具体实施例中在电流密度为50a/cm2下经第一输出口输出的第三电磁波的输出功率和单独220ghz平板梳形慢波结构返波管结构、缺少第一光栅结构和缺少第二光栅结构的输出功率对比图(a)、电流密度为40a/cm2输出功率对比图(b)和频谱图(c)；
38.图4为本发明具体实施例中谐波放大方法的流程框图。
39.附图中标记及对应的零部件名称：
40.1-第一光栅，2-第二光栅，3-第三光栅，4-连接波导，5-第一输出口，6-第二输出口，7-第一电子注通道，8-第二电子注通道，9-电子注发射面，10-第一布拉格反射器，11-第二布拉格反射器，12-第三布拉格反射器，13-第四布拉格反射器。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
43.实施例1：
44.如图1所示的一种倍频返波振荡器，包括第一慢波结构和第二慢波结构，所述第一慢波结构包括第一电子注通道7、以及沿所述第一电子注通道7延伸的第一光栅1，所述第二慢波结构包括第二电子注通道8、以及沿所述第二电子注通道8延伸的第二光栅2和第三光栅3，所述第三光栅3的工作频率为所述第一光栅1、第二光栅2的工作频率的n倍，其中n为正整数，所述第一电子注通道7和第二电子注通道8之间连接有连接波导4，所述第二电子注通道8上设置有第一输出口5。
45.在工作时，速度相同的第一、第二电子注分别输入至第一、第二电子注通道，第一电子注经过第一光栅时激发出特定频率，例如110ghz的第一电磁波，第一电子注与第一电磁波发生互作用，第一电子注将能量交给第一电磁波，之后第一电磁波经连接波导输出至
第二电子注通道，接着与第二电子注通道内的第二光栅产生耦合，对第二电子注进行调制产生第二电磁波，第二电磁波以及部分第一电磁波可以通过第二输出口输出，随后第二电子注在第三光栅的调制下倍频产生220ghz频率的第三电磁波，第三电磁波经第一输出口输出。
46.在一个或多个实施例中，如图1所示，所述第一电子注通道7和第二电子注通道8连通有电子注发射面9，所述电子注发射面9用于向第一电子注通道7、第二电子注通道8发射速度相同的电子注。
47.在部分的实施例中，电子注为带状电子注。
48.在部分的实施例中，n为2～5，优选地，n为2或3。
49.在部分的实施例中，第一光栅1的工作频率为50～200ghz。
50.在部分实施例中，所述第一光栅1、第二光栅2、第三光栅3独自地选自平板光栅、对称光栅或交错光栅。
51.本实施例中，采用一个慢波结构对一束电子注起振产生电磁波，再将电磁波输送至另一个慢波结构中调制另一束电子注，能够显著地降低起振电流密度，提升输出功率，缩短起振时间，为太赫兹真空电子器件的发展提供了一种新的思路。
52.实施例2：
53.在实施例1的基础上，沿电子注通道的延伸方向，所述第一光栅1的长度大于所述第二光栅2的长度。
54.本实施例中，第一光栅的长度需要足够长以使得第一电子注在经过时有足够的空间起振，而第二光栅主要用于第一电磁波快速调制第二电子注，因此第二光栅的空间可以足够小以为连接波导、第三光栅提供足够的空间。
55.在部分优选的实施例中，所述第一光栅1的长度为第二光栅2的长度的2～10倍。
56.实施例3：
57.在上述实施例的基础上，如图1所示，所述第一电子注通道7上设置有第一布拉格反射器10，所述第一布拉格反射器10位于所述第一电子注通道7的入口和第一光栅1之间。
58.在部分优选的实施例中，所述第二电子注通道8上设置有第二布拉格反射器11、第三布拉格反射器12和第二输出口6，所述第二输出口6、第二光栅2、连接波导4位于所述第二布拉格反射器11和第三布拉格反射器12之间。利用第二、第三布拉格反射器，实现了第二、第三电磁波的双频输出。
59.在部分优选的实施例中，所述第二电子注通道8上设置第四布拉格反射器13，所述第四布拉格反射器13位于所述第二光栅2和第三光栅3之间。
60.在一个或多个实施例中，第一布拉格反射器可以是圆柱形反射器、平面矩形反射器或矩形栅齿反射器，优选地，第一布拉格反射器为矩形栅齿布拉格反射器。
61.本实施例中，布拉格反射器对电磁波进行截止与反射，使得产生的各电磁波主要沿特定的方向移动，进一步提高了电磁波的输出功率，同时使输出频谱更加纯净。
62.实施例4：
63.如图4所示的一种谐波放大方法，其特其采用前述任一实施例中的倍频返波振荡器，该谐波放大方法具体包括以下步骤：
64.第一电子注进入至第一电子注通道7，第二电子注进入至第二电子注通道8；
65.第一电子注经过第一光栅1激发出第一电磁波，所述第一电磁波与第一电子注互作用后经连接波导4传输至第二电子注通道7；
66.进入第二电子注通道7的第一电磁波与第二光栅2耦合后对第二电子注进行调制、产生的第二电磁波经第二输出口6输出，之后第二电子注经过第三光栅3调制产生倍频的第三电磁波，所述第三电磁波经第一输出口5输出。
67.实施例5：
68.为进一步阐述本发明的技术效果，对本技术的倍频返波振荡器建模后进行粒子模拟计算，在考虑损耗的情况下经上层基波结构调制后，第二输出口的输出功率及频谱图如图2所示，其中图2(a)为单独110ghz平板梳形慢波结构返波管输出功率结果，图2(b)为本发明实例的双层级联结构中第一输出口的输出功率结果，通过对比可以看出，本发明实现了在相同的工作参数下，以更快的起振速度获得更大的输出功率。
69.第一输出口的输出功率及频谱图如图3所示，经倍频的第三光栅调制后，得到了220ghz的输出波，相比于220ghz平板梳形返波管结构，缺少第一光栅结构，以及缺少第二光栅结构，降低了起振电流密度，得到了毫瓦级别的功率输出，同时，通过降低电流密度，可以得到本发明实例的双层级联结构仍能够在较快速度下起振获得瓦级输出，而其他对比结构无法起振，没有输出。同时，如图3(c)所示，本技术的双层慢波结构实现了从110ghz到220ghz的倍频输出。
70.本发明中所使用的“第一”、“第二”、“第三”等(例如第一光栅、第二光栅、第三光栅，第一电子注通道、第二电子注通道等)只是为了描述清楚起见而对相应部件进行区别，不旨在限制任何次序或者强调重要性等。此外，在本发明中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以使经由其他部件间接相连。
71.以上所述的具体实施方式，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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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：
1.一种倍频返波振荡器，其特征在于，包括第一慢波结构和第二慢波结构，所述第一慢波结构包括第一电子注通道(7)、以及沿所述第一电子注通道(7)延伸的第一光栅(1)，所述第二慢波结构包括第二电子注通道(8)、以及沿所述第二电子注通道(8)延伸的第二光栅(2)和第三光栅(3)，所述第三光栅(3)的工作频率为所述第一光栅(1)、第二光栅(2)的工作频率的n倍，其中n为正整数，所述第一电子注通道(7)和第二电子注通道(8)之间连接有连接波导(4)，所述第二电子注通道(8)上设置有第一输出口(5)。2.根据权利要求1所述的一种倍频返波振荡器，其特征在于，沿电子注通道的延伸方向，所述第一光栅(1)的长度大于所述第二光栅(2)的长度。3.根据权利要求2所述的一种倍频返波振荡器，其特征在于，所述第一光栅(1)的长度为第二光栅(2)的长度的2～10倍。4.根据权利要求1所述的一种倍频返波振荡器，其特征在于，所述第一电子注通道(7)上设置有第一布拉格反射器(10)，所述第一布拉格反射器(10)位于所述第一电子注通道(7)的入口和第一光栅(1)之间。5.根据权利要求1所述的一种倍频返波振荡器，其特征在于，所述第二电子注通道(8)上设置有第二布拉格反射器(11)、第三布拉格反射器(12)和第二输出口(6)，所述第二输出口(6)、第二光栅(2)、连接波导(4)位于所述第二布拉格反射器(11)和第三布拉格反射器(12)之间。6.根据权利要求1所述的一种倍频返波振荡器，其特征在于，所述第二电子注通道(8)上设置第四布拉格反射器(13)，所述第四布拉格反射器(13)位于所述第二光栅(2)和第三光栅(3)之间。7.根据权利要求1所述的一种倍频返波振荡器，其特征在于，所述第一电子注通道(7)和第二电子注通道(8)连通有电子注发射面(9)，所述电子注发射面(9)用于向第一电子注通道(7)、第二电子注通道(8)发射速度相同的电子注。8.根据权利要求1所述的一种倍频返波振荡器，其特征在于，所述n为2～5。9.根据权利要求1～8中任一项所述的一种倍频返波振荡器，其特征在于，所述第一光栅(1)、第二光栅(2)、第三光栅(3)独自地选自平板光栅、对称光栅或交错光栅。10.一种谐波放大方法，其特征在于，采用权利要求1～9中任一项所述的一种倍频返波振荡器，所述谐波放大方法包括以下步骤：第一电子注进入至第一电子注通道(7)，第二电子注进入至第二电子注通道(8)；第一电子注经过第一光栅(1)激发出第一电磁波，所述第一电磁波与第一电子注互作用后经连接波导(4)传输至第二电子注通道(8)；进入第二电子注通道(8)的第一电磁波与第二光栅(2)耦合后对第二电子注进行调制、产生的第二电磁波经第二输出口(6)输出，之后第二电子注经过第三光栅(3)调制产生倍频的第三电磁波，所述第三电磁波经第一输出口(5)输出。

技术总结
一种倍频返波振荡器及谐波放大方法，该倍频返波振荡器包括第一慢波结构和第二慢波结构，所述第一慢波结构包括第一电子注通道、以及沿所述第一电子注通道延伸的第一光栅，所述第二慢波结构包括第二电子注通道、以及沿所述第二电子注通道延伸的第二光栅和第三光栅，所述第三光栅的工作频率为所述第一光栅、第二光栅的工作频率的N倍，其中N为正整数，所述第一电子注通道和第二电子注通道之间连接有连接波导，所述第二电子注通道上设置有第一输出口。本发明采用一个慢波结构对一束电子注起振产生电磁波，再将电磁波输送至另一个慢波结构中调制另一束电子注，能够显著地降低起振电流密度，提升输出功率，缩短起振时间。缩短起振时间。缩短起振时间。


技术研发人员：肖川红 花江 徐磊 吴振华
受保护的技术使用者：成都天奥信息科技有限公司
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/9/22