一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構制造技術

本發明專利技術公開了一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，包括有一個兩端敞開的矩形波導壁，矩形波導壁的上下端面的內壁上交錯設有雙排梳形齒，矩形波導壁上等間距插入若干個插片；以兩端敞開的矩形波導壁的前端面的左下角為原點建立XYZ三維坐標，原點垂直向上為Z軸，原點水平向左為Y軸，原點水平向后為X軸，各個齒等間距且平行于YZ平面，各個插片平行于XZ平面。本發明專利技術具有主體結構簡單，易于加工且與現代MEMS技術兼容；可忽略梳齒橫向邊緣效應，工作頻帶明顯加寬；注波互作用效率高，提高了工作電流，增大輸出功率是一種極具有應用潛力的新型慢波結構。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，屬于太赫茲(THz)真空電子器件領域。
技術介紹
THz波的產生是THz技術發展的關鍵環節。根據太赫茲輻射產生的機理，可以將其輻射源分為光學方法和電子學方法兩大類。目前THZ研究領域中，缺少高功率、低造價和便攜式的室溫太赫茲光源是限制現代太赫茲應用的最主要因素。周期束團產生的SP超輻射具有高輻射功率、高頻譜純度等特性，是提高THz源器件輸出功率的一種有效途徑。周期束團的獲取方法也因此成為了國內外發展THz源器件的一大研究熱點。有相關研究表明，利用慢波結構調制連續電子束來產生周期束團的方法可以使電子束產生有效群聚。慢波系統是決定功率放大器性能的關鍵部件，良好的慢波結構對于提高注波互作用起到重要作用。
技術實現思路
針對利用慢波結構產生THz周期束團技術問題，提出了一種在交錯型雙排梳形慢波系統中插入等間距金屬薄片的新型慢波結構。本專利技術所采用的技術方案是: 一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，其特征在于:包括有一個兩端敞開的矩形波導壁，矩形波導壁的上下端面的內壁上交錯設有雙排梳形齒，矩形波導壁上等間距插入若干個插片；以兩端敞開的矩形波導壁的前端面的左下角為原點建立XYZ三維坐標，原點垂直向上為Z軸，原點水平向左為Y軸，原點水平向后為X軸，各個齒等間距且平行于YZ平面，各個插片平行于XZ平面。所述的一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，其特征在于:所述的雙排梳形齒中的上排齒與下排齒之間留有作為帶狀電子注飛行通道的距離。所述的一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，其特征在于:所述的齒為矩形。所述的一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，其特征在于:所述的插片為金屬薄片。所述的一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，其特征在于:所述的矩形波導壁的上下端面的內壁刻有兩排相互交錯的金屬光柵。本專利技術的慢波結構色散特性與“Barnett-Shin”慢波結構類似，即在空間YZ面上有交錯型雙排梳形結構，并且在XZ面上插入等間距金屬薄片。本專利技術的優點是: (I)本專利技術可實現對THz波段帶狀電子注預調制。(2)本專利技術是由交錯型雙排梳形慢波系統(上下兩排梳齒間錯位為半個周期)中，插入等間距金屬薄片，它的主體結構簡單，與現代MEMS技術兼容。(3)橫向尺寸較大的交錯型雙排梳形慢波系統，可忽略其高頻場系在系統內部的梳齒橫向邊緣效應；而且插入間距較小的插片后，其工作頻帶明顯加寬。(4)當在慢波結構中插入了金屬薄片，其結構內部電場發生了變化，有更多的電磁場能量集中到電子飛行通道上，這樣有效的提高了注波互作用效率。(5)本專利技術適合于利用帶狀電子注工作，可以通過調整插片數量η增大電子束橫截面積，提高工作電流，增大輸出功率。附圖說明圖1 (a)本專利技術的剖面結構示意圖。圖1 (b)是本專利技術的整體結構示意圖。圖2是軸向場在慢波結構內部場分布圖。圖3是慢波結構色散曲線圖。圖4為插片間距w對系統色散特性的影響示意圖。圖5為插片數量η對系統色散特性的影響示意圖。圖6是粒子空間相位分布圖。圖7是電子束在傳播方向上的能量分布圖。具體實施例方式如圖1，一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，包括有一個兩端敞開的矩形波導壁1，矩形波導壁I的下端面的內壁上交錯設有雙排梳形齒2，矩形波導壁I上等間距插入η個插片3 ;以兩端敞開的矩形波導壁I的前端面的左下角為原點建立XYZ三維坐標，原點垂直向上為Z軸,原點水平向左為Y軸，原點水平向后為X軸，各個齒2等間距且平行于YZ平面，各個插片3平行于XZ平面。雙排梳形齒中的上排齒與下排齒之間留有作為帶狀電子注飛行通道的距離，齒2為矩形，插片3為金屬薄片，矩形波導壁I的上下端面的內壁刻有兩排相互交錯的金屬光柵。如圖1，η為插片數，a為帶狀注電子注飛行通道寬度，b為齒槽寬度，d結構周期周期，h為梳齒深度，w為插片間距，Wb為插片厚度。慢波結構具體尺寸如下:a=0.12mm,齒槽寬度 b=0.24mm, d=0.32mm, h=0.24mm,w=0.56mm, wb=20um，慢波結構寬度為2.98mm，取插片數量η分別為0、1和2時，CST計算慢波系統的I次諧波的色散曲線如圖4，可以看到該結構“冷帶寬”為250GHz-380GHz，完全適合于工作在太赫茲波段。插片數量η的變化不會使慢波結構的色散特性發生改變，可通過增加η，增大工作電流，提高器件輸出功率。當插片插片數量η=1,間距w分別為1.48mm、0.98mm和0.58mm,其它結構尺寸同上時，慢波系統I次諧波的色散曲線如圖5，插片間距對慢波結構的工作頻帶幾乎起決定性作用。插片數量n=l，w=0.56mm，其它結構參數同上，采用放大器工作狀態，在慢波結構輸入端輸入80毫瓦的300GHz信號，電子束尺寸:lmmX0.08mm,電壓:17KV。利用CST進行粒子模擬，仿真電磁場與電子注之間的相互作用過程，三維仿真結果如圖6。連續電子束在慢波結構輸出端口附近產生明顯的群聚，并有增強的趨勢。圖7為互作用Ins時電子束動能分布圖，在軸向坐標x=58mm處電子束群聚狀態最佳，電子束經過注波互作用形成了明顯速度調整。利用MAGIC軟件建立相同的三維模型，并將周期、凹槽寬度和凹槽深度分別為0.24mm、0.12mm和0.24mm的福射金屬光柵添加到模型中。粒子模擬可以觀測到福射光柵中心位置處有電磁波輻射出，輻射角度約為90度，輻射波頻率為300GHz，這一現象與超輻射理論相符。本專利技術的工作原理可以描述為: 本專利技術的慢波結構，較“Barnett-Shin”慢波結構，它利用插片對慢波結構內電場分布進行了調整，使更多的電磁場能量集中到電子飛行通道上，有效提高注波互作用效率。且在不影響色散的情況下，即插片間距《、系統周期d、齒槽寬度b和梳齒深度h固定的情況下，可以通過調整插片數量η增大電子束橫截面積，增大器件輸出功率。利用本慢波結構對帶狀電子注進行調制時，可選用放大器工作狀態或振蕩器工作狀態，對于能量較低的帶狀電子注，適于采用放大器工作狀態，即利用輸入信號與電子束之間的注波互作用原理實現電子束預群聚。本慢波結構可以在信號功率較低的情況下，使連續的低壓片狀電子束受到調制而形成具有很高的重復頻率周期束團。且束團在特定參數的輻射金屬光柵表面傳輸時，有超輻射現象產生。MAGIC軟件粒子模擬表明，該慢波系統可有效實現帶狀電子注速度調制，調制形成的周期束團通過特定參數金屬光柵表面是可產生太赫茲波段的SP超輻射。當橫向尺寸較大的交錯型雙排梳形慢波系統，可忽略其高頻場在系統內部的梳齒橫向邊緣效應，而金屬薄片的插入必然會改變高頻場在系統內部的橫向分布。其高頻場在系統內部的分布如圖3。其中圖4是慢波系統內部的色散分布圖。因此金屬薄片間距w(相鄰兩金屬面間的距離)對插有金屬薄片的交錯型慢波系統色散有影響。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，其特征在于：包括有一個兩端敞開的矩形波導壁，矩形波導壁的上下端面的內壁上交錯設有雙排梳形齒，矩形波導壁上等間距插入若干個插片；以兩端敞開的矩形波導壁的前端面的左下角為原點建立XYZ三維坐標，原點垂直向上為Z軸，原點水平向左為Y軸，原點水平向后為X軸，各個齒等間距且平行于YZ平面，各個插片平行于XZ平面。

【技術特征摘要】
1.一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結構，其特征在于:包括有一個兩端敞開的矩形波導壁，矩形波導壁的上下端面的內壁上交錯設有雙排梳形齒，矩形波導壁上等間距插入若干個插片；以兩端敞開的矩形波導壁的前端面的左下角為原點建立XYZ三維坐標，原點垂直向上為Z軸，原點水平向左為Y軸，原點水平向后為X軸，各個齒等間距且平行于YZ平面，各個插片平行于XZ平面。2.根據權利要求1所述的一種多帶狀電子注通道的梳形慢波結...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊軍，李浩光，李嬌嬌，阮久福，鄧光晟，尹治平，呂國強，蔡斐，
申請(專利權)人：合肥工業大學，
類型：發明
國別省市：