一種具有選模作用的高q值太赫茲開放腔及其選模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波器件領(lǐng)域，尤其涉及一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔及 其選模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在真空微波源器件家族中，回旋管是一種在毫米波和太赫茲波段能提供高功率輸 出的新型電真空器件，在未來的太赫茲技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，為了產(chǎn)生太赫茲 波，如果回旋管還是工作在低次模式下，腔體半徑必然會很小，電子注通道過小就限制了其 功率輸出水平，失去了高功率輸出優(yōu)勢。同時過小的尺寸，對器件的加工和精度提出了苛刻 的要求。所以為了使回旋管工作在太赫茲波段，同時能確保高功率輸出水平，腔體半徑不至 于過小，可以使回旋管工作在高次諧波狀態(tài)下。但是，回旋工作在高次模式下，隨之帶來了 嚴(yán)重的模式競爭問題，使其很難穩(wěn)定工作，特別是當(dāng)兩模式頻率相差很小時情況更加惡劣。 所以解決模式競爭問題，對高次諧波回旋管具有重大的實際意義。
[0003] 開放腔是回旋管主要結(jié)構(gòu)之一，是回旋管注-波互作用的主要場所，它的結(jié)構(gòu)尺 寸決定回旋管的工作頻率及其可能的工作模式，并對回旋管的工作模式的Q值也有重要影 響?？傊_放腔的結(jié)構(gòu)特性關(guān)聯(lián)著回旋管的性能優(yōu)劣。但是在高次諧波回旋管中，采用傳統(tǒng) 的開放腔體結(jié)構(gòu)，除了工作模式外，往往存在不需要的競爭模式，嚴(yán)重影響回旋管工作穩(wěn)定 性。所以設(shè)計一種具有選模結(jié)構(gòu)的開放腔體結(jié)構(gòu)，可以過濾競爭模式，提高工作模式Q值， 對高次諧波回旋管單模工作具有重大意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種具有選模作用的高Q值太赫 茲開放腔，用在回旋管的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，解決回旋管的開放腔中模式競爭的問題。
[0005] 本發(fā)明的一個目的在于提供一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔。
[0006] 本發(fā)明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔包括：截止波導(dǎo)、圓柱波導(dǎo)、過模波 導(dǎo)、輻射縫和矩形光柵；其中，截止波導(dǎo)、圓柱波導(dǎo)和過模波導(dǎo)依次連接且共軸；圓柱波導(dǎo) 的半徑?jīng)Q定存在其內(nèi)部的模式的頻率，工作模式為對稱模式，競爭模式為非對稱模式；在圓 柱波導(dǎo)壁上角相開設(shè)一條或多條圓環(huán)形的輻射縫；輻射縫相對非對稱的競爭模式是強(qiáng)輻 射，相對對稱的工作模式是弱輻射；在圓柱波導(dǎo)的外壁上與每一條輻射縫的位置相對應(yīng)，設(shè) 置多個參數(shù)相同的矩形光柵，矩形光柵的端口與輻射縫對接，矩形光柵的端口高度與輻射 縫的寬度相同，多個矩形光柵繞軸一周將輻射縫封閉，在角向成輻射狀；通過設(shè)置矩形光柵 的參數(shù)，使得對稱的工作模式的頻率落在矩形光柵的禁帶內(nèi)，而非對稱的競爭模式的頻率 落在矩形光柵的通帶內(nèi)。
[0007] 傳統(tǒng)的開放腔包括依次連接的截止波導(dǎo)、圓柱波導(dǎo)和過模波導(dǎo)；截止圓柱波導(dǎo)防 止高頻系統(tǒng)中產(chǎn)生的微波能量向電子槍傳輸，擾亂電子注運(yùn)動軌跡；過模波導(dǎo)可以提高傳 輸功率容量；圓柱波導(dǎo)是注-波互作用的主要場所，圓柱波導(dǎo)的半徑?jīng)Q定工作頻率范圍，工 作模式為對稱模式，競爭模式為非對稱模式，根據(jù)工作模式可以進(jìn)一步確定工作的距離頻 率。
[0008] 本發(fā)明在圓柱波導(dǎo)的角向開設(shè)圓環(huán)形的輻射縫，因為對于非對稱的競爭模式，圓 柱波導(dǎo)壁存在軸向電流，福射縫相對競爭模式是強(qiáng)福射，而對稱的工作模式?jīng)]有軸向電流， 是弱輻射；在諧振過程中，由于競爭模式的能量容易輻射出去，品質(zhì)因子Q值會急劇下降， 該模式就會被抑制，相反，需要的工作模式由于輻射弱，品質(zhì)因子Q值降低很小。輻射縫的 寬度、在圓柱波導(dǎo)壁上的位置、縫間距離和條數(shù)決定Q值。輻射縫的寬度越寬輻射越強(qiáng)，但 是當(dāng)寬度大到一定程度后，輻射的強(qiáng)度變化不明顯，并且由于邊界不連續(xù)性增大，會產(chǎn)生高 次模式諧波，所以綜合考慮，確定輻射縫的寬度不宜過大；同時，輻射縫的條數(shù)和位置決定 總的輻射強(qiáng)度，為了進(jìn)一步使非對稱模式的電磁波能量輻射出來，在圓柱波導(dǎo)上軸向電流 大的地方開設(shè)輻射縫，并且開設(shè)多條縫，從而使輻射強(qiáng)度更大。相鄰的輻射縫之間的距離相 等，多條輻射縫成周期性排列。
[0009] 輻射縫對競爭模式和工作模式的能量都會泄漏，使得工作模式的Q值降低，因此 在圓柱波導(dǎo)的外壁上與輻射縫相對應(yīng)的位置對接矩形光柵，通過設(shè)計矩形光柵的參數(shù)，使 得對稱的工作模式的頻率落在矩形光柵的禁帶內(nèi)，會反射回去，不能從開放腔中泄漏出來， 從而Q值提高；而非對稱的競爭模式的頻率落在矩形光柵的通帶內(nèi)，能量會順利通過矩形 光柵，向外輻射出去，使Q值降低，如此就可以實現(xiàn)選模濾波目的。矩形光柵的參數(shù)包括周 期間隙寬度a、端口高度b、周期長度d、間隙深度h和光柵寬度w。
[0010] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的選模 方法。
[0011] 本發(fā)明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的選模方法，包括以下步驟：
[0012] 1)圓柱波導(dǎo)的半徑?jīng)Q定工作頻率范圍，選擇對稱的工作模式，得到工作模式的頻 率；
[0013] 2)確定競爭模式，競爭模式為非對稱的模式，主要競爭模式的頻率與工作模式的 頻率相近；
[0014] 3)根據(jù)競爭模式的輻射量與輻射縫的縫寬的關(guān)系，通過參數(shù)掃描分析繪制輻射量 與縫寬的關(guān)系曲線，選擇在曲線平穩(wěn)之前的點(diǎn)作為縫寬；
[0015] 4)根據(jù)競爭模式在圓柱波導(dǎo)壁上電流分布特點(diǎn)，確定輻射縫在圓柱波導(dǎo)壁上的位 置、縫間距離和條數(shù)；
[0016] 5)根據(jù)矩形光柵的本征方程以及參數(shù)之間的關(guān)系，并且結(jié)合數(shù)值仿真軟件進(jìn)行參 數(shù)優(yōu)化，設(shè)計矩形光柵的參數(shù)，使得對稱的工作模式的頻率落在矩形光柵的禁帶內(nèi)，不能從 開放腔中泄漏出來，而非對稱的競爭模式的頻率落在矩形光柵的通帶內(nèi)，能量會順利通過 矩形光柵，矩形光柵的參數(shù)包括周期間隙寬度a、端口高度b、周期長度d、間隙深度h和光柵 寬度w，端口高度b與輻射縫的寬度一致，矩形光柵的本征方程： v x \y
[0019] 其中，Tn2+0n=k2, 0n是第n個空間波軸向波數(shù)，tn是第n個空間波的橫向中 蓋板到槽方向的波數(shù)，k是修正后的空間波數(shù)，n= ±1、±2、±3、…，f為工作頻率，c為真 2,Tf1 空光速，久=A+Y，0C)是空間基波軸向波數(shù)，可以根據(jù)該方程，及其參數(shù)之間的關(guān)系， a 計算出禁帶特性。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 本發(fā)明在圓柱波導(dǎo)壁上開設(shè)輻射縫，輻射縫相對非對稱的競爭模式是強(qiáng)輻射，相 對對稱的工作模式是弱輻射；進(jìn)一步在每一條輻射縫上對接矩形光柵，使得對稱的工作模 式的頻率落在矩形光柵的禁帶內(nèi)，提高工作模式的Q值，而非對稱的競爭模式的頻率落在 矩形光柵的通帶內(nèi)，降低競爭模式的Q值，從而實現(xiàn)選模濾波；本發(fā)明能夠有針對性地對競 爭模式造成散射損耗，提高回旋管的工作穩(wěn)定性及其工作效率，這對太赫茲電子回旋管的 發(fā)展有重要推動作用。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明的在圓柱波導(dǎo)壁上開設(shè)輻射縫的開放腔的剖面圖；
[0023]圖2為TE24模式的傳輸特性與輻射縫的縫寬的關(guān)系曲線圖；
[0024] 圖3為TE24模式的輻射量與輻射縫的縫寬的關(guān)系曲線圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的一個實施例的示意圖，其 中，（a)為軸向示意圖，（b)為角向示意圖；
[0026] 圖5為本發(fā)明的矩形光柵的一個實施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖6為矩形光柵100GHz~1150GHz傳輸特性的曲線圖；
[0028] 圖7為矩形光柵293GHz~301GHz傳輸特性的曲線圖；
[0029]圖8為本發(fā)明的具有選模作用的高Q值太赫茲開放腔的一個實施例的整體結(jié)構(gòu)示 意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0031] 如圖1所示，傳統(tǒng)的開放腔包括依次連接的截止波導(dǎo)1、圓柱波導(dǎo)2和過模波導(dǎo)3; 在本實施例中，截止波導(dǎo)的半徑艮=2_，長度1。= 3mm;圓柱波導(dǎo)的半徑1^= 2. 12_，長 度L= 10mm;過模波導(dǎo)的半徑R= 2. 3mm，長度LQ= 3mm。圓形波導(dǎo)的工作頻率由公式：
[0032]
[0033] 其中&是圓柱波導(dǎo)的半徑，c是光速，p'^是第一類n階貝塞爾函數(shù)導(dǎo)數(shù)的第m 個根，根據(jù)這個表達(dá)式可以確定圓柱波導(dǎo)在TE模式下各個模式的頻率。選擇工作模式為對 稱的TEM模式，競爭模式為TE24模式。根據(jù)貝塞爾函數(shù)的根植表易知，P' M= 13. 32369,而 P'24= 13. 17037。TEQ4模式的頻率在fQ4= 300GHz，那么半徑為RQ= 2. 12mm的圓柱型波 導(dǎo)，此時TE24模式的頻率為f24= 296. 35GHz，相差頻率為Af= 3. 65GHz，為TEM模式的主 要競爭模式，嚴(yán)重影響注_波互作用效率，使回旋管的工作模式穩(wěn)定性降低。
[0034] 根據(jù)TEM模式和TE24模式在圓柱波導(dǎo)壁上電流分布特點(diǎn)，提出在圓柱波導(dǎo)角向開 設(shè)輻射縫，因為對于非對稱的te24模式，圓柱波導(dǎo)壁存在軸向電流，角向縫相對該模式是強(qiáng) 輻射縫，