一种新型倍频回旋放大器制造技术

本发明专利技术属于微波、毫米波和太赫兹波器件技术领域，涉及回旋电子器件，具体提供一种新型倍频回旋放大器，用以解决回旋放大器在太赫兹波段中遇到的前级驱动源要求高、高次谐波工作效率低及高次谐波模式竞争激烈的问题。本发明专利技术中调制段、过渡段、放大段与输出段依次连接，副磁体与主磁体共同为回旋行波放大器提供工作磁场，使调制段、过渡段、放大段分别浸没在低均匀磁场区、压缩磁场区、高均匀磁场区，在输入段与放大段中波与电子注为基波互作用状态，但放大段的工作频率为输入段工作频率的n倍，从而实现基波n倍频放大功能。本发明专利技术能够同时实现高倍频，且高效率、高增益，并具有更高的稳定性，在雷达、通信和电子对抗等领域具有广阔的发展前景。发展前景。发展前景。

【技术实现步骤摘要】
一种新型倍频回旋放大器


[0001]本专利技术属于微波、毫米波和太赫兹波器件
，涉及回旋电子器件，具体提供一种新型倍频回旋放大器。

技术介绍

[0002]自20世纪70年代起，作为基于自由电子受激辐射原理的新型电真空器件，电子回旋脉塞(ECM)器件得到了迅猛的发展，又称回旋电子器件(Gyro
‑
Device)；由于回旋电子器件在毫米波段及亚毫米波段的卓越性能，为毫米波、亚毫米波在雷达、通信、电子战、高功率微波武器及受控热核聚变等领域的应用开辟了广阔的前景。同时，随着科学技术的进一步发展，更高频段的太赫兹波(THz)因同时具有毫米波及光波的特性，展现出了非常突出的应用前景和价值，进而使得太赫兹辐射源的研究也成为了当今回旋电子器件相关科学研究的重点和热点。
[0003]回旋放大器作为回旋电子器件家族中的一种功率放大器件，具有大功率和高频率的特点。通常，回旋放大器的工作磁场为一段大小均匀的磁场，并都工作在单一互作用模式和单一工作频率下，包括基波和谐波工作；其中，基波回旋放大器为回旋电子基波工作，工作模式为低阶模式，如TE
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模式和TE
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模式，模式竞争较易控制，但功率容量受限；谐波回旋放大器为回旋电子高次谐波工作，可以有效降低工作磁场，但换能效率和模式竞争方面受限较大。目前，在毫米波段，常规的单频单模回旋放大器已经发展的相对成熟，在电子对抗等领域获得了成功应用；但由于前级驱动源的限制，在向太赫兹波段发展的过程中遇到了困难。为此，谐波倍频回旋放大器被提出，作为一种多级回旋放大器，其工作磁场同样为一段大小均匀的磁场，调制段由低频率的模式与低次电子回旋谐波进行注波互作用，放大段由高频率的模式与高次电子回旋谐波进行注波互作用，该方式可以有效地降低对前级驱动源的需求，但由于高次电子回旋谐波的限制，倍频次数有限，一般为二倍频，且换能效率低，模式竞争严重。基于此，本专利技术提供一种新型倍频回旋放大器，可同时实现高倍频，且高效率、高增益。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种可同时实现高倍频，且高效率、高增益的新型倍频回旋放大器，具有更高的稳定性。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]一种新型倍频回旋放大器，包括：调制段、过渡段、放大段、输出段、副磁体及主磁体；其特征在于：
[0007]所述调制段、过渡段、放大段与输出段依次连接，调制段与放大段均为均匀圆波导、且放大段的半径小于调制段，过渡段为半径渐变圆波导；
[0008]所述副磁体环套于调制段外，主磁体环套于放大段外；副磁体与主磁体共同为回旋放大器提供工作磁场，该工作磁场轴向包括：低均匀磁场区、压缩磁场区与高均匀磁场
区，调制段位于低均匀磁场区，过渡段位于压缩磁场区，放大段位于高均匀磁场区，高均匀磁场区的纵向磁场强度为低均匀磁场区纵向磁场强度的(1
±
0.15)
×
n倍；
[0009]所述新型倍频回旋放大器，在调制段与放大段中，波与电子注为基波互作用状态，但放大段的工作频率为调制段工作频率的n倍，从而实现基波n倍频放大功能。
[0010]工作原理：
[0011]电子回旋脉塞器件作为一种基于电子回旋脉塞机理的真空电子器件，能够实现大功率高效率毫米波和太赫兹波辐射；电子回旋脉塞原理可描述为相对论电子由于不稳定性进而产生高能辐射，其具体过程如下：由磁控注入电子枪产生的既有横向速度v
⊥
和纵向速度v
z
的空心环形电子注，经过一段缓慢上升纵向磁场的绝热压缩作用，电子的横向速度增加，纵向速度减小，相应的电子的能量由纵向转移到横向，当电子注的横纵速度比(alpha＝v
⊥
/v
z
)达到注波互作用要求时，回旋电子注进入到高频互作用腔。
[0012]进入互作用区域的电子在稳定磁场的作用下作回旋频率一定的回旋运动，此时电子的动能较大，需要考虑电子的相对论效应，其回旋频率Ω为：
[0013][0014]其中，e为电子的电量，B为工作磁场、一般由线圈磁场或超导磁体提供，m为考虑相对论效应时电子静止质量，Ω0为不考虑相对论效应时电子回旋频率，m0为电子静止质量，γ＝[1
‑
(v/c)2]1/2
为相对论因子(c为真空中的光速)；
[0015]同时，电子的回旋半径r
L
由下式确定：
[0016][0017]其中，r
L0
为不考虑相对论效应时的电子回旋半径；
[0018]由式(1)和(2)可知，在考虑相对论效应的情况下，电子的回旋频率与电子能量成反比，而电子的回旋半径与电子能量成正比，即电子能量越大，回旋频率越小，回旋半径也就越大，反之亦然。在满足一定条件下，回旋电子注就能和高频电磁场进行换能互作用：部分电子把能量交给高频场，由(1)和(2)可知失去能量的电子回旋频率变大、回旋半径变小；同时从高频场得到能量的部分电子，回旋频率变小，回旋半径变大，其结果就形成了电子的群聚效应；这种电子的群聚是由于相对论效应引起的，如果不考虑相对论效应，这种群聚也就不存在，所以回旋管是建立在相对论效应下的电真空器件。
[0019]与此同时，如果电子回旋频率与波频率相一致时，形成的群聚中心处于电场为零值处，这样电子与场的换能就不明显，即处于加速区的电子与处于减速区的电子数量相当，只有当电子的回旋频率略低于波频率，则群聚中心将会落在减速场区域，这样大部分电子将会使去能量，只有小部分电子将会得到能量，从而实现了将电子能量交换给高频电磁场，电磁波得到了放大或振荡。要保证回旋电子注与电磁场高效率地换能，电子注与波之间必须满足以下的关系：
[0020]ω
‑
k
||
v
||
‑
sΩ＝0
ꢀꢀꢀ
(3)
[0021]其中，ω为电磁波的角频率，k
||
为波的纵向传播速度，v
||
为电子的纵向速度，s为谐波次数；
[0022]由式(3)可知，回旋管可工作于高次谐波状态，这样可以降低对工作磁场需求，但
高次谐波工作也带来了严重的模式竞争，影响回旋管的正常工作，降低其工作效率和输出功率。
[0023]以上为电子回旋脉塞器件的基本工作原理，以此为基础，下面对本专利技术提供的新型倍频回旋放大器的工作机理进行详细说明：
[0024]本专利技术提供的新型倍频回旋放大器，其互作用区域被分为两段：调制段和放大段，由过渡段衔接，而且不同于传统的电子回旋脉塞器件的工作磁场为一段均匀磁场，整个工作磁场具有两段均匀磁场区和一段压缩磁场区。
[0025]首先，磁控注入枪发射出的回旋电子注，经过枪区磁场的绝热压缩作用，进而进入调制段；在调制段，工作磁场为低均匀磁场，磁场大小为B1，电子注的回旋角频率为Ω1＝eB1/γm0，同时在调制段中输入频率为ω
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型倍频回旋放大器，包括：调制段、过渡段、放大段、输出段、副磁体及主磁体；其特征在于：所述调制段、过渡段、放大段与输出段依次连接，调制段与放大段均为均匀圆波导、且放大段的半径小于调制段，过渡段为半径渐变圆波导；所述副磁体环套于调制段外，主磁体环套于放大段外；副磁体与主磁体共同为回旋放大器提供工作磁场，该工作磁场轴向包括：低均匀磁场区、压缩磁场区与高均匀磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻胜，陈儒泰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：