[发明专利]一种用于高阶工作模式的介质加载回旋行波管高频结构

说明书

该发明公开了一种用于高阶工作模式的介质加载回旋行波管高频结构，属于毫米波和太赫兹器件技术领域。在220GHz等高频段，相较于具有开放边界的共焦波导回旋行波管，本发明可以降低对工作模式的损耗，从而获得更高的增益及效率。本发明首次采用以高阶模式TE32为回旋行波管的工作模式，解决了以低阶模为工作模式介质加载回旋行波管的结构尺寸过小、功率容量低、电子注易被截获等问题，并实现了较高的功率输出。传统的周期性分布介质加载无法有效地抑制高阶模式带来的多种寄生模式振荡，本发明以非周期分布介质加载的方式灵活地解决了高阶模式带来的多种寄生模式振荡问题，并通过输出渐变段优化匹配非均匀磁场大幅度地提升输出功率，获得稳定的高增益输出。

技术领域

本发明属于毫米波和太赫兹器件技术领域，探索出了一种在高频率波段介质加载回旋行波管高频系统实现高增益的新方案，可以应用于220GHz频段的回旋行波管，并为太赫兹频段的回旋行波管高频系统研究奠定基础。

背景技术

毫米波的频段为30GHz-300GHz，其波长为1mm-10mm。220GHz毫米波的波长为1.36mm，可划为亚毫米波，很接近太赫兹波(300GHz-1THz)，是一个重要的大气窗口，其频率附近传输信号衰减较小，具有着重要的研究意义。至今，回旋行波管在Ku、Ka、Q和W各频段的研发比较成熟，并已能生产相关成品进行实际应用。向更高频段的研发是大势所趋。而更高频段的回旋行波管的研制技术还不完善，还存在很多问题，所以对220GHz回旋行波管的研究也迫在眉睫。此外，对220GHz回旋行波管的关键技术进行研究也可以为今后在太赫兹波段的回旋行波管研究提供思路。

回旋行波管是一种以电子为媒介并基于电子回旋脉塞效应将电能最终转换为电磁能来实现微波放大的真空电子器件。由于光滑波导的高频互作用结构容易产生寄生模式振荡，会限制回旋行波管的输出功率和带宽，台湾清华大学朱国瑞团队率先提出介质加载光滑波导来解决寄生模式振荡问题。通过在光滑波导表面涂敷介质层的方式，使寄生模式得到有效衰减，从而达到抑制寄生模式振荡的目的，即介质加载后的高频结构具有了模式选择的能力。

随着频率的增高，导致以低阶模为工作模式的介质加载回旋行波管的结构尺寸大幅缩小，这导致了功率容量低、加工困难、电子注易被截获等问题。为了增大功率容量，增大结构尺寸并减少模式竞争等问题，在高频波段更倾向于研究介质加载的共焦波导回旋行波管。共焦波导具有良好的模式选择特性，其开放的边界对低阶竞争模式造成极大的衍射损耗，因此采用高阶模为工作模式的共焦波导由于竞争模式少而容易达到输出稳定。但由于其衍射损耗的特性，也使得其输出效率和增益较低。

发明内容

本发明提出了一种介质加载的高次模式高增益回旋行波管高频系统，不仅结构简单，而且在满足功率需求的同时降低对前级驱动的功率需求，并实现了回旋行波管稳定的高增益输出。此外，本发明可为太赫兹频段的回旋行波管的研发提供参考。

本发明采取以下技术方案实现：

一种用于高阶工作模式的介质加载回旋行波管高频结构，该结构包括依次连接的：预群聚段、线性放大段、非线性放大段、输出渐变段；其特征在于：

所述预群聚段为金属圆波导；

所述线性放大段为内壁间隔镶嵌有环形有耗介质的金属圆波导，且镶嵌的环形有耗介质为非周期分布；

所述非线性放大段为金属圆波导；

所述输出渐变段为金属圆波导且内径线性增大。