[发明专利]太赫兹行波管慢波聚焦集成结构及其制造方法

说明书

本发明提供一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构及其制造方法，该结构包括载体，载体开设有用于太赫兹电磁波行进的慢波通道，慢波通道内部表面设有磁性薄膜层；慢波通道内部由行进的电磁波形成微电场，磁性薄膜层通过产生磁场或影响外部磁场，实现对内腔中行进的电子注进行聚焦，以促进电子注与微电场发生相互作用。本发明利用磁性薄膜层替代或增强传统行波管中的永磁体聚焦系统，厚度在微米到纳米量级，有利于行波管的集成化设计以及根据需求实现差异化磁场分布，实现行波管磁场系统体积的小型化，避免了传统永磁体聚焦系统的体积重量过大和磁场整形精度不高的问题，具有集成度高、微纳工艺兼容性好和应用性强的特点。

技术领域

本发明涉及太赫兹行波管技术领域，尤其涉及一种太赫兹行波管慢波聚焦集成结构及其制造方法。

背景技术

太赫兹(THz，1THz＝10¹²Hz)是指频率在0.1THz-10THz、波长3mm-0.03mm内的波段，以下简称THz。THz波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区，是电磁波谱中唯一尚待开发、急需全面探索的具有重大科学前沿意义和重大应用前景的新频段。THz波具有量子能量低、带宽大、穿透性强等独特的电磁特性。太赫兹辐射源是目前制约太赫兹科学技术发展及其应用的瓶颈之一。传统的光子学与电子学方法都难以产生覆盖整个太赫兹频段的电磁辐射，所以形成了太赫兹空隙。

随着电子技术的发展，要求提供质量上乘、速度更快的电子器件，可是现在的硅器件已满足不了要求，半导体器件的电子传送速度又几乎接近理论极限，很难继续提高。电子在真空中传送的速度非常快，比硅半导体快20倍，这是提高器件速度的理想途径。传统的真空管体积比较大，电子流过的距离长。如果利用现代先进的微电子生产工艺技术，使真空管微型化，那么真空管的优越性就体现出来。

行波管(TWT，travelling-wave tube)是真空管的一种，是靠连续调制电子注的速度来实现放大功能的微波电子管。行波管结构包括：

1)电子枪。从阴极发射出来的电子注，受到电子枪区静电场的会聚作用，以一定的电子注参量(尺寸、电压、电流、密度分布)进入与慢波线的互作用区。

2)慢波线。在行波管中，电子注同慢波电路中行进的微波场发生相互作用，在长达6～40个波长的慢波电路中电子注连续不断地把动能交给微波信号场，从而使信号得到放大。

3)聚焦结构。也称聚焦系统，聚焦结构设置在互作用真空区域外，以一定的磁场力“抵消”电子注自身的空间电荷发散力，使电子注高质量地穿过互作用区，进入收集极区。

4)RF输入、RF输出结构。主要分为同轴结构和波导结构，需要有足够的机械强度、功率承受能力、确保低损耗、工作频带内足够好的电压驻波比。

5)收集极。功能是尽可能收集进入收集区的互作用后电子注，不让一次电子和二次电子返转。要有足够的抗电子轰击能力、散热能力、高压绝缘能力。

6)冷却系统。有辐射冷却、传导冷却、强迫风冷、液冷、蒸发冷却、热管冷却等。

其中，电子注聚焦系统是行波管结构的一个重要组成部分。电子束从电子枪出来后要穿过细长的慢波结构，为了得到充分的能量交换需要电子束要尽可能地靠近慢波结构。电子束中电子带负电荷，相互之间的斥力会使电子束很快发散而打到慢波结构上去，从而失去将能量交给电磁场的机会。因此，需要一个磁聚焦系统来约束电子束，使其能顺利通过慢波结构而实现放大。

目前多数行波管磁聚焦系统采用周期性永磁体结构(PPM，Periodic permanent-magnet)，即周期放置的对称磁块和极靴，主要有两种结构形式，一种为单周期结构，由系列圆形磁环和纯铁圆极靴片组成，轴上轴向磁场分布接近余弦形式，对磁性材料的矫顽力要求较高。有时为解决慢波线结构周期和PPM结构周期的矛盾，采用了另一种双周期结构，双周期PPM结构的聚焦性能和稳定性与单周期PPM结构一样。