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022 THz折叠波导返波振荡器研究

  技术在空间通信、透视成像、遥感探测、环境监测等应用研究领域都具有重大的科学价值和发展前景,近三十年来,全球掀起了一股填充热潮。然而,在太赫兹辐射频段缺乏方便实用的电磁辐射源。太赫兹辐射源主要包括基于半导体非线性特征和负阻性能的固态微波源、基于半导体导带亚能级跃迁的量子级联激光器、基于飞秒激光技术和非线性光学的脉冲的频率区间内,折叠波导返波振荡器由于其具有较高的输出功率、较大的电子调谐带宽、良好的热、力性能,紧凑的结构外观,可以连续波工作,无需前级微波源的优点,该种管型的太赫兹源受到到比较广泛的需求和应用。

  作为太赫兹返波振荡器的选择方案之一,相对于研究比较广泛的基于带状电子注的平板型返波振荡器而言,折叠波导返波振荡器具有功率高、体积小、成本低、工艺相对较成熟等优点。本课题组经过多年的研究,掌握了0.22THz折叠波导返波振荡器的整管设计理论与模拟仿真技术、微型折叠波导及精密部件的加工工艺、整管的制管工艺和联合实验测试技术,突破了0.22THz折叠波导返波振荡器各项关键技术,在国内率先完成了折叠波导慢波结构产生振荡信号的原理性验证实验,得到功率36mW@频率229GHz的实验结果,并研制出了0.22THz振荡器样管,为0.22THz信号源的实用化奠定了坚实的基础。

  0.22 THz折叠波导返波振荡器慢波结构采用电场面弯曲波导构成,沿轴线方向按一定周期排列,电磁场在弯曲的波导中传输,波的纵向等效相速得以降低,在电子速通道处,电磁场与电子发生相互作用,考虑到电子枪的耐压和电源的适用性,选择电子束与相速与群速方向反向的-2次空间谐波(返波)的相速同步,产生返波振荡信号。

  课题组对折叠慢波周期结构作了一系列的理论研究工作,主要包括考虑损耗的折叠波导等效电路理论和以此建立的折叠波导返波振荡器小信号理论、大信号理论及时域分析理论。另外还根据简化的电路模型对返波振荡器小信号理论化简,发展了一套尺寸初值的确定方法。理论设计完成后建立PIC模型,利用大型数值程序进行验算,发现输出功率与理论计算吻合很好,振荡频率略有差距,经过电压微调后得到慢波线的最终设计方案。设计得到的折叠波导慢波结构参数如表1所示。图1给出了由大信号理论计算得出的振荡信号频率与功率随电压的变化曲线,起振电流为2.26mA;采用PIC模拟程序进行计算得到:在15.4kV,10.7mA下,输出功率为744mW,频率221.5GHz,如图2所示。

  0.22THz折叠波导返波振荡器的电子光学系统采用了收敛型Pierce电子枪和周期永磁聚焦系统。在电子枪方面,考虑到通道内电子注电流密度为110A/cm2,采用收敛性圆对称电子枪,使阴极发射电流密度降低到目前热阴极直流工作的极限水平以内;磁约束方面,为了降低聚束磁场的强度和实现微细通道下电子束流通率调节,选用周期磁场的布里渊聚束来构造束流光学系统。优化后的周期布里渊磁系统可以在15.4kV下发射10.7mA的限制电流,考虑热初速时,其损耗约为6%。

  在输能结构,即输出窗结构,设计上分为矩形波导过渡和非常规盒型窗两部分,之所以选择非常规盒型窗是由于其加工焊接方便、带宽方面与常规盒型窗相当。盒型窗中介质材料用蓝宝石,这是基于机械加工便捷性、机械强度、真空密封性、导热性能、介电常数、材料损耗等多方面因素加以考虑的综合结果,其工作带宽设计为10GHz。

  折叠波导慢波结构采用高速数控铣的方法加工,该慢波零件用两半拼合的方式可以构成一个完整的折叠波导慢波线THz折叠波导返波振荡器整管的焊接工艺包括慢波结构的焊接、慢波与极靴的焊接、收集极的焊接、电子枪的装配与焊接、整管的排气、阴极的激活等,涉及的焊接方式有电子束焊、真空炉焊、集中焊、氩弧焊等,在借鉴国内电真空厂家在电真空军品器件上的工艺经验的基础上,掌握了整管的制作工艺。研制出的样管如图3所示。

  15.4kV,电流10.7mA下获得了接近90%的流通,但是此时并未发现返波振荡信号,分析原因在于制管过程中的结构细微变化、加工的慢波结构周期尺寸零散以及侧壁不可能保证100%垂直,存在0.7°~1°的侧壁倾角以及倾角一致性0.1°~0.3°,这些因素会引起的同步相速零散,使实际返波起振电流成倍增大。通过对相速零散对起振电流的影响计算分析表明,倾角一致性的影响会造成起振电流增大5倍,因此10.7mA的收集极电流处在返波起振的边缘。

  (收集极电流),只能通过升高电压和加大阴极发射电流来实现。调节适当的参数后,最终观测到了返波起振。在电压升高至17.47kV下,获得12.25 mA的收集极电流,此时流通率为77%,重复频率100 Hz,占空比为1/20,PM4功率计测定峰值功率为36mW,频率约为229 GHz。该结果也验证了先前在设计电压15.4kV、电流10.7mA未有返波起振是实际起振电流比理论计算约增大了5倍的判断。在电压17.47kV时,电流增大至12.25 mA,但此时电流也处于超过起振电流的临界状态,因此得到的返波功率也低于计算值。

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