一种具有选模作用的高q值太赫兹开放腔及其选模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波器件领域，尤其涉及一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔及 其选模方法。
【背景技术】
[0002] 在真空微波源器件家族中，回旋管是一种在毫米波和太赫兹波段能提供高功率输 出的新型电真空器件，在未来的太赫兹技术中具有广阔的应用前景。但是，为了产生太赫兹 波，如果回旋管还是工作在低次模式下，腔体半径必然会很小，电子注通道过小就限制了其 功率输出水平，失去了高功率输出优势。同时过小的尺寸，对器件的加工和精度提出了苛刻 的要求。所以为了使回旋管工作在太赫兹波段，同时能确保高功率输出水平，腔体半径不至 于过小，可以使回旋管工作在高次谐波状态下。但是，回旋工作在高次模式下，随之带来了 严重的模式竞争问题，使其很难稳定工作，特别是当两模式频率相差很小时情况更加恶劣。 所以解决模式竞争问题，对高次谐波回旋管具有重大的实际意义。
[0003] 开放腔是回旋管主要结构之一，是回旋管注-波互作用的主要场所，它的结构尺 寸决定回旋管的工作频率及其可能的工作模式，并对回旋管的工作模式的Q值也有重要影 响。总之开放腔的结构特性关联着回旋管的性能优劣。但是在高次谐波回旋管中，采用传统 的开放腔体结构，除了工作模式外，往往存在不需要的竞争模式，严重影响回旋管工作稳定 性。所以设计一种具有选模结构的开放腔体结构，可以过滤竞争模式，提高工作模式Q值， 对高次谐波回旋管单模工作具有重大意义。
【发明内容】
[0004] 针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种具有选模作用的高Q值太赫 兹开放腔，用在回旋管的结构设计中，解决回旋管的开放腔中模式竞争的问题。
[0005] 本发明的一个目的在于提供一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔。
[0006] 本发明的具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔包括：截止波导、圆柱波导、过模波 导、辐射缝和矩形光栅；其中，截止波导、圆柱波导和过模波导依次连接且共轴；圆柱波导 的半径决定存在其内部的模式的频率，工作模式为对称模式，竞争模式为非对称模式；在圆 柱波导壁上角相开设一条或多条圆环形的辐射缝；辐射缝相对非对称的竞争模式是强辐 射，相对对称的工作模式是弱辐射；在圆柱波导的外壁上与每一条辐射缝的位置相对应，设 置多个参数相同的矩形光栅，矩形光栅的端口与辐射缝对接，矩形光栅的端口高度与辐射 缝的宽度相同，多个矩形光栅绕轴一周将辐射缝封闭，在角向成辐射状；通过设置矩形光栅 的参数，使得对称的工作模式的频率落在矩形光栅的禁带内，而非对称的竞争模式的频率 落在矩形光栅的通带内。
[0007] 传统的开放腔包括依次连接的截止波导、圆柱波导和过模波导；截止圆柱波导防 止高频系统中产生的微波能量向电子枪传输，扰乱电子注运动轨迹；过模波导可以提高传 输功率容量；圆柱波导是注-波互作用的主要场所，圆柱波导的半径决定工作频率范围，工 作模式为对称模式，竞争模式为非对称模式，根据工作模式可以进一步确定工作的距离频 率。
[0008] 本发明在圆柱波导的角向开设圆环形的辐射缝，因为对于非对称的竞争模式，圆 柱波导壁存在轴向电流，福射缝相对竞争模式是强福射，而对称的工作模式没有轴向电流， 是弱辐射；在谐振过程中，由于竞争模式的能量容易辐射出去，品质因子Q值会急剧下降， 该模式就会被抑制，相反，需要的工作模式由于辐射弱，品质因子Q值降低很小。辐射缝的 宽度、在圆柱波导壁上的位置、缝间距离和条数决定Q值。辐射缝的宽度越宽辐射越强，但 是当宽度大到一定程度后，辐射的强度变化不明显，并且由于边界不连续性增大，会产生高 次模式谐波，所以综合考虑，确定辐射缝的宽度不宜过大；同时，辐射缝的条数和位置决定 总的辐射强度，为了进一步使非对称模式的电磁波能量辐射出来，在圆柱波导上轴向电流 大的地方开设辐射缝，并且开设多条缝，从而使辐射强度更大。相邻的辐射缝之间的距离相 等，多条辐射缝成周期性排列。
[0009] 辐射缝对竞争模式和工作模式的能量都会泄漏，使得工作模式的Q值降低，因此 在圆柱波导的外壁上与辐射缝相对应的位置对接矩形光栅，通过设计矩形光栅的参数，使 得对称的工作模式的频率落在矩形光栅的禁带内，会反射回去，不能从开放腔中泄漏出来， 从而Q值提高；而非对称的竞争模式的频率落在矩形光栅的通带内，能量会顺利通过矩形 光栅，向外辐射出去，使Q值降低，如此就可以实现选模滤波目的。矩形光栅的参数包括周 期间隙宽度a、端口高度b、周期长度d、间隙深度h和光栅宽度w。
[0010] 本发明的另一个目的在于提供一种具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔的选模 方法。
[0011] 本发明的具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔的选模方法，包括以下步骤：
[0012] 1)圆柱波导的半径决定工作频率范围，选择对称的工作模式，得到工作模式的频 率；
[0013] 2)确定竞争模式，竞争模式为非对称的模式，主要竞争模式的频率与工作模式的 频率相近；
[0014] 3)根据竞争模式的辐射量与辐射缝的缝宽的关系，通过参数扫描分析绘制辐射量 与缝宽的关系曲线，选择在曲线平稳之前的点作为缝宽；
[0015] 4)根据竞争模式在圆柱波导壁上电流分布特点，确定辐射缝在圆柱波导壁上的位 置、缝间距离和条数；
[0016] 5)根据矩形光栅的本征方程以及参数之间的关系，并且结合数值仿真软件进行参 数优化，设计矩形光栅的参数，使得对称的工作模式的频率落在矩形光栅的禁带内，不能从 开放腔中泄漏出来，而非对称的竞争模式的频率落在矩形光栅的通带内，能量会顺利通过 矩形光栅，矩形光栅的参数包括周期间隙宽度a、端口高度b、周期长度d、间隙深度h和光栅 宽度w，端口高度b与辐射缝的宽度一致，矩形光栅的本征方程： v x \y
[0019] 其中，Tn2+0n=k2, 0n是第n个空间波轴向波数，tn是第n个空间波的横向中 盖板到槽方向的波数，k是修正后的空间波数，n= ±1、±2、±3、…，f为工作频率，c为真 2,Tf1 空光速，久=A+Y，0C)是空间基波轴向波数，可以根据该方程，及其参数之间的关系， a 计算出禁带特性。
[0020] 本发明的优点：
[0021] 本发明在圆柱波导壁上开设辐射缝，辐射缝相对非对称的竞争模式是强辐射，相 对对称的工作模式是弱辐射；进一步在每一条辐射缝上对接矩形光栅，使得对称的工作模 式的频率落在矩形光栅的禁带内，提高工作模式的Q值，而非对称的竞争模式的频率落在 矩形光栅的通带内，降低竞争模式的Q值，从而实现选模滤波；本发明能够有针对性地对竞 争模式造成散射损耗，提高回旋管的工作稳定性及其工作效率，这对太赫兹电子回旋管的 发展有重要推动作用。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的在圆柱波导壁上开设辐射缝的开放腔的剖面图；
[0023]图2为TE24模式的传输特性与辐射缝的缝宽的关系曲线图；
[0024] 图3为TE24模式的辐射量与辐射缝的缝宽的关系曲线图；
[0025] 图4为本发明的具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔的一个实施例的示意图，其 中，（a)为轴向示意图，（b)为角向示意图；
[0026] 图5为本发明的矩形光栅的一个实施例的立体结构示意图；
[0027] 图6为矩形光栅100GHz~1150GHz传输特性的曲线图；
[0028] 图7为矩形光栅293GHz~301GHz传输特性的曲线图；
[0029]图8为本发明的具有选模作用的高Q值太赫兹开放腔的一个实施例的整体结构示 意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
[0031] 如图1所示，传统的开放腔包括依次连接的截止波导1、圆柱波导2和过模波导3; 在本实施例中，截止波导的半径艮=2_，长度1。= 3mm;圆柱波导的半径1^= 2. 12_，长 度L= 10mm;过模波导的半径R= 2. 3mm，长度LQ= 3mm。圆形波导的工作频率由公式：
[0032]
[0033] 其中&是圆柱波导的半径，c是光速，p'^是第一类n阶贝塞尔函数导数的第m 个根，根据这个表达式可以确定圆柱波导在TE模式下各个模式的频率。选择工作模式为对 称的TEM模式，竞争模式为TE24模式。根据贝塞尔函数的根植表易知，P' M= 13. 32369,而 P'24= 13. 17037。TEQ4模式的频率在fQ4= 300GHz，那么半径为RQ= 2. 12mm的圆柱型波 导，此时TE24模式的频率为f24= 296. 35GHz，相差频率为Af= 3. 65GHz，为TEM模式的主 要竞争模式，严重影响注_波互作用效率，使回旋管的工作模式稳定性降低。
[0034] 根据TEM模式和TE24模式在圆柱波导壁上电流分布特点，提出在圆柱波导角向开 设辐射缝，因为对于非对称的te24模式，圆柱波导壁存在轴向电流，角向缝相对该模式是强 辐射缝，