[实用新型]一种多次提取式TM10;1;0模同轴耦合腔输出电路

说明书

本实用新型提出了一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，通过两个隔断耦合的TM10,1,0模同轴耦合腔分别提取电子注的能量，将能量转换为电磁波后，分别通过矩形耦合孔和模式转换腔耦合至沿轴向的输出圆波导中，并通过调整同轴耦合腔之间的距离和输出圆波导的波导波长，实现输出电磁波的同相叠加。每个同轴耦合腔都包含5个工作在TM10,1,0模的同轴谐振腔，共放置10个对工作频段电磁波截止的电子注通道，每个电子注通道中都可以通过一个或多个电子注，即至少可以容纳10个电子注，从而提高器件的功率和效率，也降低了电子注的电流密度。

技术领域

本实用新型涉及电真空微波器件领域，更具体地，涉及一种多次提取式 TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路。

背景技术

扩展互作用器件是可在毫米波甚至太赫兹波段上实现大功率输出的新型真空电子器件，主要包括了扩展互作用速调管(EIK)和扩展互作用振荡器(EIO) 两种。输出电路是扩展互作用器件的重要组成部分，其由多间隙耦合腔，也称扩展互作用谐振腔，和输出结构组成。多间隙耦合腔由多个单独的谐振腔通过耦合结构连接在一起，电子注通道穿过所有谐振腔，为电子提供通道，并且与各个谐振腔形成互作用间隙，因此这种结构成为多间隙耦合腔。电子注通道对电磁场处于截止状态，电磁场基本上集中在间隙内，所以电子注与多间隙耦合腔的相互作用也是基本上集中在间隙内。电子注在注通道内穿过整个多间隙耦合腔，同时与所有互作用间隙的高频电磁场发生能量交换，也称为互作用，将自身的动能转化为电磁场的能量，然后通过输出结构，将电磁能量输送到外部负载上，最终实现电子注能量的提取。由于电子注与电磁场的相互作用分布在多个间隙内，因此多间隙耦合腔又称为分布作用腔或扩展互作用腔。可见耦合腔输出电路是电子的能量转化为电磁波能量的重要场所，决定了整个扩展互作用器件的输出功率、效率和带宽等关键性能。

扩展互作用器件在毫米波段具有较高的效率和功率，但是当频率提高到太赫兹(THz)波段，随着频率上升，器件内部结构的尺寸将逐渐缩小，注波互作用距离的缩短和强电场击穿阈值限制了注波换能效率和输出功率水平的提高，同时也使其制造工艺难度大增。为了跨越电子学“缩尺效应”的障碍，使扩展互作用器件在THz波段有较高的效率和功率，必须设计合适的耦合腔输出电路结构。

目前的大部分的扩展互作用器件主要工作在基模即谐振频率最低的谐振模式，如殷勇等人提出的“一种低电压扩展互作用慢波器件”，电子注集中在腔体中心，随着工作频率的提高到太赫兹(THz)波段，耦合腔的横向尺寸和互作用间隙逐渐缩小，电子注通道的直径也随之变得十分细小才能切断电磁波在通道内的传播，过于细小的电子注通道会影响电子的通过率，从而严重影响器件的效率和寿命。在电子注通道直径大小合理的情况下，只能加大电子注的电流来提高输出功率和效率，这样大大增加了电子注的电流密度，导致电子枪的阴极负载极高，也严重缩短了器件的寿命。目前高电流密度且长寿命的电子枪阴极还不成熟，难以产生高电流密度且小直径的电子注，因此电子注的电流并不能无限制地增大。

此外，目前的传统的扩展互作用输出电路采用单级设计，即仅用一个耦合腔提取电子注的能量，其输出功率的提高随着耦合腔包含的间隙数量增加而逐渐饱和。此外，由于多间隙耦合腔引入了纵向谐振模式，纵向模式的数量与间隙数量相同，模式的数量越多，模式之间的频率间隔越窄，因此增加间隙数量会增加模式竞争的风险，导致器件不稳定，因此采用单个耦合腔的单级输出电路难以有效提高输出功率和效率。总的来说，传统的耦合腔输出电路在太赫兹频段存在横向尺寸小，需要很高电流密度的电子注，输出功率小，效率低的缺点。

实用新型内容

本实用新型提供一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，将扩展互作用器件的工作频率从毫米波段拓展至太赫兹波段，克服传统耦合腔输出腔的横向尺寸太小，要求电子注的电流密度很高，注波换能效率太低等困难，有效提高器件的功率和效率。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：