一种双模折叠波导振荡器及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种双模折叠波导振荡器及其设计方法，该方法包括：S1、根据振荡器目标工作电压和目标振荡频率，初步设定振荡器的折叠波导慢波结构的结构尺寸；S2、利用本征模拟，计算振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线；S3、优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得所述振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率；S4、基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，则重复S2‑S4；S5、优化所述折叠波导慢波结构的互作用长度，直至达到振荡器目标振荡功率。

A dual-mode folded waveguide oscillator and its design method

【技术实现步骤摘要】
一种双模折叠波导振荡器及其设计方法
本专利技术属于真空电子
，具体涉及到一种前向波和返波双模工作振荡器及其设计方法。
技术介绍
目前，随着太赫兹(300GHz-3000GHz)科学技术的发展及其相关应用领域的开拓，对大功率太赫兹辐射源的需求日益增加。在真空电子器件中，振荡器是实用化程度很高的一种太赫兹辐射源，其包括返波管(BWO)、斜注管(Clinotron)、奥罗管(Orotron)等多种不同的振荡器，由图1示出的上述三种振荡器的工作频率与输出功率的关系可以看出，上述三种不同类型的振荡器在太赫兹频段工作时，最大输出功率分别仅为小于0.1W。因此，需要提供一种工作在太赫兹频段时能够输出大功率信号的振荡器以及振荡器的设计方法。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，提供一种双模折叠波导振荡器的设计方法，该方法包括：S1、根据振荡器目标工作电压和目标振荡频率，初步设定振荡器的折叠波导慢波结构的结构尺寸；S2、利用本征模拟，计算振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线；S3、优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得所述频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率；S4、基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，则重复S2-S4；S5、优化所述折叠波导慢波结构的互作用长度，直至达到振荡器目标振荡功率。优选地，所述方法还包括：将模拟得到的最佳同步电压确定为该振荡器的工作电压。优选地，所述振荡器还包括电子枪，聚焦系统，收集极以及第一输能结构和第二输能结构。优选地，所述优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸进一步包括：按照折叠波导慢波结构的矩形波导的宽边长、几何周期、直波导长度、矩形波导的窄边长、和电子注通道半径的顺序对结构尺寸进行优化。优选地，所述振荡器位于电子枪侧的第一输能结构输出返波振荡信号，远离电子枪侧的第二输能结构输出前向波振荡信号。优选地，所述前向波振荡信号和返波振荡信号具有相同的振荡频率。优选地，所述振荡器的目标振荡频率为300GHz-3000GHz。根据本专利技术的另一方面，提供一种双模折叠波导振荡器，该振荡器包括电子枪，折叠波导慢波结构，聚焦系统，收集极，以及第一输能结构和第二输能结构，位于电子枪侧的第一输能结构输出返波振荡信号，远离电子枪侧的第二输能结构输出前向波振荡信号，其中所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得该振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率。优选地，所述振荡器的目标振荡频率为300GHz-3000GHz。优选地，所述振荡器的输出功率大于1W。本专利技术的有益效果如下：本专利技术通过对振荡器的折叠波导慢波结构的尺寸进行设计，使得该振荡器的频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标频率，可实现大于具有前向波和返波双模工作的大功率输出振荡器。根据本专利技术设计得到的双模折叠波导振荡器，在相同的工作电压下，可以实现更大的功率输出，同时满足大功率和带宽的需求；在相同的功率输出下，具有更小的器件尺寸，满足大功率小型化太赫兹辐射源应用需求。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1示出现有技术中振荡器的工作频率与输出功率的关系图；图2示出本专利技术实施例提供的慢波结构示意图：图3示出本专利技术实施例提供的频率与几何周期相移的关系曲线图；图4A示出本专利技术实施例提供的折叠波导慢波结构在相移为4π处的止带上边缘电场分布；图4B示出本专利技术实施例提供的折叠波导慢波结构在相移为4π处的止带下边缘电场分布；图5示出本专利技术实施例提供的折叠波导慢波结构在相移为4π时止带上边缘附近的轴向耦合阻抗；图6示出本专利技术实施例提供的双模折叠波导振荡器示意图；图7示出本专利技术实施例提供的双模折叠波导振荡器工作在几何周期相移为4π的上截止频率边缘的振荡功率图；图8示出本专利技术实施例提供的双模折叠波导振荡器工作在几何周期相移为4π的上截止频率边缘的振荡频率图；附图标记：电子枪1；电子注11；折叠波导慢波结构2；聚焦系统3；收集极4；第一输能结构Port1；第二输能结构Port2。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和附图对本专利技术做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。本专利技术的实施方式公开了一种前向波和返波双模折叠波导振荡器的设计方法，该方法包括：根据振荡器目标工作电压和频率，初步设定振荡器折叠波导慢波结构的结构尺寸，如图2所示，包括矩形波导的宽边长和窄边长，几何周期，直波导长度和电子注通道半径；利用本征模拟，计算振荡器振荡频率与几何周期相移的关系曲线；优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得所述振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标频率。优选地，按照折叠波导慢波结构的矩形波导的宽边长、几何周期、直波导长度、矩形波导的窄边长、和电子注通道半径的顺序对结构尺寸进行优化，以提高优化效率；基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，重复上述步骤，其中同步电压是进行注波互作用模拟后同时与前向波和返波两个工作模式进行互作用的直流电子注电压，进一步最佳同步电压是分别利用前向波和返波两个工作模式进行互作用并获得最大功率时对应的同步电压。优选地，将模拟得到的最佳同步电压确定为该振荡器的工作电压，以使得该振荡器在此时工作效能达到最佳状态；优化所述折叠波导慢波结构的互作用长度，即折叠波导慢波结构中几何周期的数目×2p，直至达到振荡器目标振荡功率。本专利技术的另一个实施方式公开了一种利用上述设计方法实现的双模折叠波导振荡器，如图6所示，该振荡器包括电子枪1，折叠波导慢波结构2，聚焦系统3，收集极4，以及第一输能结构Port1和第二输能结构Port2，位于电子枪侧的第一输能结构Port1输出返波振荡信号，远离电子枪侧的第二输能结构Port2输出前向波振荡信号，其中所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得该振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率。优选地，该振荡器的目标振荡频率为300GHz-3000GHz。优选地，振荡器的输出功率大于1W。下面以振荡器目标设计参数；稳定工作电压20-23kV，振荡频率300GHz，输出振荡功率大于1W为具体示例对本专利技术的设计方法进行说明：第一步，根据振荡器目标工作电压和频率，初步设定折叠波导慢波结构的结构尺寸。如图2所示的慢本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双模折叠波导振荡器的设计方法，其特征在于，包括：/nS1、根据振荡器目标工作电压和目标振荡频率，初步设定振荡器的折叠波导慢波结构的结构尺寸；/nS2、利用本征模拟，计算振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线；/nS3、优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得所述振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率；/nS4、基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，则重复S2-S4；/nS5、优化所述折叠波导慢波结构的互作用长度，直至达到振荡器目标振荡功率。/n

【技术特征摘要】
1.一种双模折叠波导振荡器的设计方法，其特征在于，包括：
S1、根据振荡器目标工作电压和目标振荡频率，初步设定振荡器的折叠波导慢波结构的结构尺寸；
S2、利用本征模拟，计算振荡器的振荡频率与几何周期相移的关系曲线；
S3、优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸，使得所述振荡频率与几何周期相移的关系曲线中几何周期相移为4π时对应的止带上截止频率fu大于目标振荡频率；
S4、基于优化的结构尺寸进行注波互作用模拟，将模拟得到的同步电压与所述目标工作电压进行比较，如果不符，则重复S2-S4；
S5、优化所述折叠波导慢波结构的互作用长度，直至达到振荡器目标振荡功率。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将模拟得到的最佳同步电压确定为该振荡器的工作电压。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振荡器还包括电子枪，聚焦系统，收集极以及第一输能结构和第二输能结构。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述优化所述折叠波导慢波结构的结构尺寸进一步包括：按照折叠波导慢波结构的矩形波导的宽边长、几何周期、直波导长度、矩形波导的窄边长、和电子注通道半径的顺序...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琳，蔡军，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十二研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11