一种过模级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及真空电子器件技术领域，尤其涉及一种过模级联高频结构的双电子注太赫兹波辐射源。
【背景技术】
[0002]太赫兹(Terahertz)波是频率处在0.1THz-1OTHz (ITHz = 112Hz)之间的电磁波，位于发展相对成熟的微波毫米波与远红外光波之间，其独特的波长特性使得该波段在测量材料物质的光学属性、生物医学成像、表面化学及强场凝聚态物质研究等领域具有广泛的应用价值，同时在军事领域的雷达探测、保密通信也存在重要的应用前景。太赫兹波在军事及民用领域的重要应用价值，引起了各国政府特别是军方的高度关注并且投入了大量的资源用于发展太赫兹波科学技术。太赫兹波在军民两用领域具有潜在的市场前景，为什么还不能获得广泛地应用特别是在国防领域呢？其中最直接也是最根本的原因是缺乏高功率、紧凑可调的室温太赫兹波辐射源，它成为太赫兹技术推向广泛应用的瓶颈之一。因此寻求有效方法、探索新机理发展高性能的太赫兹波辐射源是十分必要的，并且对促进太赫兹波在军事和民用两方面的应用具有重要的战略意义。
[0003]有多种方法可以产生太赫兹波辐射。如:半导体太赫兹波辐射源(如THz-QCL等)；基于光子学的太赫兹发生器；利用自由电子的太赫兹波辐射源(包括太赫兹真空器件、电子回旋脉塞和自由电子激光);基于高能加速器的太赫兹辐射源等。THz-QCL辐射源由于受到极低温度的限制成为其广泛应用的屏障，基于光子学的太赫兹源输出的功率较低，而基于高能加速器的太赫兹辐射源由于需要大的加速装置，其广泛应用包括在军事领域的应用也受到了极大的限制。在太赫兹辐射源中，基于真空电子学的折叠波导行波放大器(Folded WaveguideTraveling-ffave TubeJI^lFW-TWT)由于同时兼顾螺旋线行波管及耦合腔行波管的优点，具有高增益及宽频带的特点，可发展为高功率、宽频带、紧凑的太赫兹辐射源，特别是折叠波导行波放大器在太赫兹雷达上的应用，因而受到了学者们及军方的尚度关注。
[0004]相对同类真空电子学器件，它具结构牢固、散热性好、色散平坦、高频传输损耗小、耦合匹配容易、与MEMS技术兼容等优势，因此折叠波导行波管较好地解决了太赫兹器件长期未能克服的大功率和宽频带的矛盾。研究结果表明，折叠波导行波管是毫米波和亚毫米波段极具发展潜力的宽带大功率器件。它成为真空电子学太赫兹辐射源的一个热点研究领域。
[0005]图1为现有技术中太赫兹单段式单注折叠波导行波放大器的示意图。行波放大器通过输入信号端口 101将输入信号RFin输入到行波高频结构107中，在高频结构内与电子枪阴极102产生的行波电子注105相互作用，被放大的太赫兹波RF-从输出端口 104输出，作用后的电子注被收集极106收集。该结构是普通的行波管放大器，具有功率放大和频带展宽的特性。
[0006]在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术THz波辐射源具有以下技术问题:
[0007](I)折叠波导结构本身的耦合阻抗低，互作用效率不高，输出功率小，使其在超宽带雷达远距离探测、高分辨率成像雷达等应用方面受到了极大的限制。
[0008](2)由于结构尺寸的限制，在太赫兹频段加工困难，加工精度直接影响到放大器的工作性能。因此加工技术限制了其大功率折叠波导行波放大器的实现。
【发明内容】
[0009](一 )要解决的技术问题
[0010]鉴于上述技术问题，本发明提供了一种过模级联折叠波导行波放大器的双电子注太赫兹辐射源。
[0011](二)技术方案
[0012]根据本发明的一个方面，提供了一种级联过模折叠波导行波放大器的双电子注太赫兹辐射源。该级联过模折叠波导行波放大器的双电子注太赫兹辐射源包括:第一段双电子注电子枪、第二段双电子注电子枪、第一段电子注收集极、第二段电子注收集极、磁场产生部件、第一段折叠波导高频结构、第二段折叠波导高频结构。其中:第一段双电子注电子枪，包括:第一段的第一阴极和第二阴极，其中，第一阴极和第二阴极发射电子注在水平方向并列排布，传播方向相互平行。第二段双电子注电子枪，包括:第二段的第一阴极和第二阴极，其中，第一阴极和第二阴极发射电子注在水平方向并列排布，传播方向相互平行。
[0013]第一段电子注收集极，设置于第一段双电子注电子枪的阴极的正对位置，第一段的双电子注阴极和第一段电子注收集极之间形成第一段注-波互作用区。第二段电子注收集极，设置于第二段双电子注电子枪的阴极的正对位置，第二段的双电子注阴极和第二段电子注收集极之间形成第二段段注-波互作用区。
[0014]磁场产生部件，设置于第一段注-波互作用区和第二段注-波互作用区的两侧，用于产生平行于第一段双电子注和第二段双电子注传输方向的磁场。级联高频结构，包括:第一段高频结构，设置于第一段注-波互作用区；第二段高频结构，设置于第二段注-波互作用区，其波入口通过级联结构连接至第一段高频结构的出口。
[0015]高次模式TE2。模的太赫兹波通过输入信号端口入射第一段高频结构，在第一段高频结构的内与第一段的双电子注相互作用，太赫兹波得到功率放大和频率展宽，经过第一段高频结构作用后的双电子注由第一段电子注收集极收集；太赫兹波通过级联结构入射第二段高频结构；第二段双电子注电子枪的阴极产生的双电子注，在第二段高频结构的内与太赫兹波相互作用，对太赫兹波进行功率放大和频率展宽，经过第二段高频结构作用后的双电子注由第二段电子注收集极收集，功率放大及频率展宽后的太赫兹波由第二段高频结构的波出口输出。
[0016](三)有益效果
[0017]从上述技术方案可以看出，本发明级联过模折叠波导行波放大器的双电子注太赫兹辐射源具有以下有益效果:
[0018](I)采用双电子注与太赫兹波相互作用，与单电子注相比，可以降低对阴极电流发射密度的要求，有利于增加器件的使用寿命，并且引入双电子注可以缩短饱和长度，缩短整管的长度，降低器件对磁场的要求；
[0019](2)在水平方向上并列排布两个电子注，采用高次模式TE2。模与双电子注相互作用，使水平方向并列排布的双电子注恰好处于TE2。模的电场最强处，可以使互作用效率达到最大；
[0020](3)采用级联结构，可以进一步使波的功率得到放大，通过多段式折叠波导级联实现了在太赫兹频段的大功率输出。
【附图说明】
[0021]图1为现有技术中太赫兹折叠波导行波放大器的示意图；
[0022]图2为本发明实施例中的过模级联高频结构的双电子注太赫兹辐射源结构示意图；
[0023]图3为本发明实施例中级联过模折叠波导行波放大器的双电子注太赫兹辐射源的色散曲线图。
[0024]【本发明主要元件符号说明】
[0025]201-第一段第一阴极；202-第一段第二阴极
[0026]203-双电子注电子枪底部； 204-第二段第一阴极
[0027]205-第二段第二阴极；206-输出结构
[0028]207-聚焦磁场；208-第二段第二电子注；
[0029]209-第二段第一电子注；210-第二段电子注收集极；
[0030]211-第二段高频结构；212-第一段高频结构；
[0031]213-第一段电子注收集极； 214-第一段第二电子注；
[0032]215-第一段第一电子注；216-输入结构；
[0033]217-聚焦磁场；
【具体实施方式】
[0034]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，对本发明进一步详细说明。
[0035]需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0036]本发明提供了一种过模级联高频结构双电子注太赫兹辐射源。该双电子注太赫兹福射源中，高次模式TE2。模的太赫兹波首先在第一段高频结构的作用下与第一段的双电子注发生互作用，太赫兹波得到了功率放大和频率展宽，然后通过级联结构入射第二段高频结构；在第二段高频结构作用下，太赫兹波继续与第二段双电子注相互作用，太赫兹波进一步得到功率放大和频率展宽。
[0037]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种双电子注太赫兹辐射源。图2为本发明实施例中双电子注太赫兹波辐射源的结构示意图。
[0038]请参照图2，本实施例过模级联高频结构双电子注太赫兹辐射源包括:双电子注电子枪、级联高频结构、磁场产生部件。其中，级联高频结构包括:位于同一平面上的第一段高频结构212和第二段高频结构211。第一段高频结构212的太赫兹波出口连接至第二段高频结构211的入口。
[0039]以下分别对本实施例过模级联高频结构双电子注太赫兹辐射源的各个组成部分进行详细说明。
[0040]双电子注电子枪包括第一段双电子注电子枪和第二段双电子注电子枪；所述第一段双电子注电子枪包括:第一段第一阴极201、第一段第二阴极202、第一段电子注收集极213，所述第一段电子注收集极213正对第一段双电子注电子枪的阴极设置，两者之间形成第一段注-波互作用区；。
[0041]所述第二段双电子注电子枪包括:第二段第一阴极204、第二段第二阴极205、第二段电子注收集极210。所述第二段电子注收集极210正对第二段双电子注电子枪的阴极设置，两者之间形成第二段注-波互作用区。
[0042]其中第一段双电子注电子枪的双电子注为水平并列排布，第二段双电子注电子枪的双电