[发明专利]一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔

说明书

本发明涉及一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，包括上耦合腔、下耦合腔、电子注通道以及多个不同宽度的间隙，间隙采用长槽间隙和短槽间隙交替分布排列的方式；同步周期根据电子注速度与工作模式相速度的同步关系确定；间隙数量的选择兼顾有效特性阻抗和模式间隔，在满足模式间隔大于设计带宽2倍的前提下，间隙数量取最大值；渐变式间隙宽度通过仿真优化确定，通过分析不同渐变间隙宽度方案的电场分布、模式间隔和有效特性阻抗，确定最佳的渐变间隙宽度。本发明间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，建立了能够避免模式竞争和增加有效特性阻抗的物理模型，实现了对间隙电场的优化以增大注波互作用效率的目的，提高了分布作用速调管的输出功率。

技术领域

本发明涉及真空电子学技术领域，具体涉及一种多间隙耦合及间隙电场优化的输出谐振腔。

背景技术

太赫兹波具有频带宽、相干性好、易于反隐身、抗干扰性和穿透能力强等优良特性，在高速率数据传输、宽带大容量通信、高分辨率成像、医学检测与诊断等方面具有非常良好的应用特性和技术优势。但是，太赫兹科学技术的发展受制于能够产生大功率和宽频带太赫兹辐射源的匮乏。基于真空电子学开展的分布作用速调管研究工作，是在太赫兹频段产生高功率、宽频带、高效率和高可靠性辐射源的重要技术途径，在星载成像雷达，气象雷达，火控、监视和跟踪雷达，空基和天基高功率损伤和摧毁性武器方面具有重要应用潜力。

由于工作频率与几何尺寸共度性效应的限制，使得太赫兹频段分布作用速调管的特征尺寸急剧减小，导致器件功率容量迅速降低。输出谐振腔是分布作用速调管的核心部件，在输出腔中群聚电子注与间隙电场进行强烈的相互作用，对输出功率有着显著影响。而传统的等间隙宽度输出谐振腔结构存在输出功率不够高的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对传统等间隙宽度的输出谐振腔结构输出功率不够高的缺点，提供一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，它能够改善间隙电场分布特性，使得群聚电子注与间隙电场的相互作用更加充分，该输出谐振腔可以作为分布作用速调管的输出腔结构，提高其输出功率。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种间隙宽度渐变的分布式输出谐振腔，包括上耦合腔、下耦合腔、电子注通道以及多个不同宽度的间隙，其中，间隙采用长槽间隙和短槽间隙交替分布排列的方式；

同步周期根据电子注速度与工作模式相速度的同步关系确定；

间隙数量的选择兼顾有效特性阻抗和模式间隔，在满足模式间隔大于设计带宽2倍的前提下，间隙数量取最大值；

渐变式间隙宽度通过仿真优化确定，通过分析不同渐变间隙宽度方案的电场分布、模式间隔和有效特性阻抗，确定最佳的渐变间隙宽度。

上述方案中，所述同步周期表示各个相邻间隙之间的中心距离，由式(1)确定：

式中，p表示同步周期，v_p表示工作模式相速度，f₀为工作频率，m表示相移参数，其值与所选取的工作模式有关。

上述方案中，为进行有效的注波互作用，工作模式相速度与电子注速度近似相等，亦即v_p≈v_e，电子注速度由式(2)确定：

式中，v_e表示电子注速度，c为光速，U₀为工作电压(单位：kV)。

上述方案中，所述模式间隔定义为工作模式与相邻模式的最小频率差别，用Δf表示，通过仿真可以得到不同模式的频率，计算仿真得到的工作模式的频率与相邻模式频率的差值，即为模式间隔。

上述方案中，所述有效特性阻抗反映了注波互作用能力的强弱，间隙数量越多，有效特性阻抗越大，注波互作用能力越强；定义如式(3)：