本發(fā)明涉及物理電子學及太赫茲電子學技術(shù)，特別涉及一種基于新型光柵-亞波長孔陣列結(jié)構(gòu)的高頻裝置，主要應(yīng)用于太赫茲擴展互作用速調(diào)管(Extended Interaction Klystron,簡稱EIK)及其類似器件。

背景技術(shù)：

太赫茲(THz)波的獨特性質(zhì)給太赫茲科學技術(shù)的研究與發(fā)展起到了很大的促進作用。而寬帶和小型化的大功率THz輻射源是現(xiàn)階段推廣太赫茲技術(shù)應(yīng)用到實際的瓶頸。真空電子學中的擴展互作用放大器(EIA或稱為EIK)是一類結(jié)構(gòu)緊湊、工作電壓低的小型化太赫茲輻射源，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(耦合腔，梯形線電路等)的EIK不便于信號的耦合輸入、輸出，且?guī)捄驮鲆娴刃阅苤笜瞬荒軡M足太赫茲技術(shù)的需要。具有較好的帶寬且具有高增益和高效率性能的EIK輻射源是太赫茲技術(shù)發(fā)展的需要。本專利提出了一種采用光柵與亞波長孔陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型高頻系統(tǒng)改善EIK及其類似器件性能的方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)中EIK常規(guī)結(jié)構(gòu)中帶寬窄、增益低，不利于信號的饋入和提取存在的不足，提供一種應(yīng)用于太赫茲EIK放大器的新型光柵-亞波長孔陣列結(jié)構(gòu)的高頻裝置。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，太赫茲EIK高頻裝置，其特征在于，EIK輸入腔、中間腔及輸出腔的基本結(jié)構(gòu)由兩排光柵對稱排列構(gòu)成，兩光柵之間為電子注通道，光柵的每個間隙通過結(jié)構(gòu)中心的亞波長孔耦合到一個共同的腔體中。

所述EIK輸入腔由輸入波導(dǎo)與帶有亞波長孔結(jié)構(gòu)的雙光柵構(gòu)成,信號經(jīng)輸入波導(dǎo)進入共同腔體通過亞波長孔耦合進入電子注通道與電子注進行互作用，兩個光柵的對稱面與電子運動方向平行；

所述中間腔由對稱設(shè)置的帶有亞波長孔結(jié)構(gòu)的雙光柵構(gòu)成，兩個光柵的對稱面與電子運動方向平行；

所述輸出腔由兩對稱的輸出波導(dǎo)與帶有亞波長孔結(jié)構(gòu)的雙光柵構(gòu)成，信號進入EIK輸入腔對電子注進行初步的調(diào)制，然后通過中間腔體的進一步作用，被調(diào)制的電子注到達輸出腔進行能量的提取,輸出信號由亞波長孔耦合到兩對稱的輸出波導(dǎo)實現(xiàn)信號的輸出，兩個光柵的對稱面與電子運動方向平行。

進一步的，所述光柵由具有槽齒結(jié)構(gòu)的基板構(gòu)成，亞波長孔為通孔，設(shè)置于基板的槽(光柵間隙)的位置。

本發(fā)明每個腔體的周期個數(shù)由EIK放大器的性能指標(如增益大小)決定。所述亞波長孔為矩形孔,亞波長孔陣列與一個共同腔體(圖2中的標號11)相耦合。

每一對光柵中，兩個光柵沿電子注作用區(qū)的軸線對稱設(shè)置，兩個光柵的特征面相對，兩個光柵的特征線皆垂直于電子注作用區(qū)的軸，構(gòu)成EIK輸入腔、中間腔及輸出腔的光柵的特征線相互平行，光柵單周期長度和間隙寬度都相同。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1)首次在太赫茲頻段實現(xiàn)基于光柵-亞波長孔陣列結(jié)構(gòu)的EIK放大器；

2)采用該結(jié)構(gòu)設(shè)計的輸入、輸出腔體，周期性亞波長耦合孔對信號起著相對隔離和耦合的紐帶，能使信號的耦合效率高，帶寬和增益適中，能夠有效地對信號進行饋入與提取，結(jié)構(gòu)簡單、制作方便；

3)該結(jié)構(gòu)結(jié)合了光柵與亞波長孔的結(jié)構(gòu)的特點，通過改變光柵結(jié)構(gòu)與孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，能調(diào)節(jié)EIK的工作帶寬或增益大小,能夠適應(yīng)于微波、毫米波或太赫茲波段。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的EIK高頻結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為新型光柵‐亞波長孔陣列結(jié)構(gòu)的三維圖；

圖3為新型光柵‐孔陣列結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；

圖4為光柵‐亞波長‐孔陣列周期結(jié)構(gòu)光柵高度h與孔的長邊hx對輻射頻率的影響關(guān)系圖。

圖5為中心頻率0.3THz的EIK輸入腔結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的輸入端口的反射系數(shù)的變化特性。

圖6為中心頻率0.3THz的EIK輸出腔結(jié)構(gòu)以及兩端口間的傳輸系數(shù)的變化特性。

圖7(a)為輸入到EIK的功率。圖7(b)為通過EIK放大器對0.3THz輸入信號放大，其中一個端口得到的輸出功率。

具體實施方式

太赫茲EIK高頻裝置，包括沿電子注作用區(qū)順次設(shè)置的EIK輸入腔、中間腔及輸出腔；

所述EIK輸入腔由輸入波導(dǎo)與帶有亞波長孔結(jié)構(gòu)的雙光柵構(gòu)成,信號經(jīng)波導(dǎo)進入共同腔體通過亞波長孔作為信號輸入接口進入電子注區(qū)域進行互作用，所述電子注作用區(qū)為電子束的運動區(qū)域；

所述中間腔由對稱設(shè)置于電子注作用區(qū)兩側(cè)的帶有亞波長孔的雙光柵構(gòu)成，兩個光柵的對稱面與電子運動方向平行；

所述輸出腔由兩對稱的輸出波導(dǎo)與帶有亞波長孔結(jié)構(gòu)的雙光柵構(gòu)成，信號由亞波長孔耦合到兩對稱的輸出波導(dǎo)實現(xiàn)信號的提取，兩個光柵的對稱面與電子運動方向平行；

進一步的，所述光柵由具有槽齒結(jié)構(gòu)的基板構(gòu)成，亞波長孔為通孔，設(shè)置于基板的槽的位置。

本發(fā)明中間腔體的個數(shù)依據(jù)器件需要進行改變。所述亞波長孔為矩形孔。圖1中，兩個中間腔(標記為3和4)的光柵周期數(shù)量是由實際需求設(shè)定。

優(yōu)選的，每一對光柵中，兩個光柵沿電子注作用區(qū)的軸線對稱設(shè)置，兩個光柵的特征面相對，兩個光柵的特征線皆垂直于電子注作用區(qū)的軸，構(gòu)成EIK輸入腔、中間腔及輸出腔的光柵的特征線相互平行，光柵單周期長度和間隙寬度都相同。亞波長孔對稱設(shè)置于光柵間隙中。

特征面和特征線的定義：光柵是在基板的一個面上設(shè)置(刻蝕)槽齒結(jié)構(gòu)形成，就該基板而言，設(shè)置有槽齒結(jié)構(gòu)的面稱為特征面。各條槽相互平行，槽的邊緣線或者齒的邊緣線稱為特征線，槽的中線、齒的中線與特征線是平行的。

實施例

本發(fā)明提供一種應(yīng)用于多腔工作的太赫茲EIK放大器的光柵‐亞波長孔陣列高頻結(jié)構(gòu)，包括EIK輸入腔、中間腔及輸出腔，參見圖1。所述光柵‐亞波長孔結(jié)構(gòu)，由兩排光柵對稱排列構(gòu)成，每一排的光柵每個間隙通過中心的亞波長孔耦合到一個共同的腔體中。中間腔體數(shù)目或者每個腔體的周期數(shù)目根據(jù)EIK性能指標的要求可以進行變化。

信號由輸入腔體輸入，參見圖5，輸入信號進入腔體通過亞波長孔的耦合作用進入到電子注作用區(qū)域，對電子注進行初始的調(diào)制；被調(diào)制的電子注通過漂移段進入中間腔體進行進一步的調(diào)制；然后進入到輸出腔提取信號參見圖6。這種特征的多腔EIK放大器，輸入、輸出腔體不需要特別的耦合結(jié)構(gòu)，易于加工。

所述亞波長矩形孔中，孔的尺寸需要滿足一定要求，要求放大器的輸入信號頻率小于孔的截止頻率。所有光柵的結(jié)構(gòu)周期長度p和間隙s寬度都相同，亞波長矩形孔的長度hx和寬度hz都相同；以上參數(shù)與電子注工作參數(shù)包括輸入信號頻率構(gòu)成放大器的基本工作參數(shù)。上述結(jié)構(gòu)的放大器，通過合理調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的周期長度，孔的尺寸和電子注電壓等基本參數(shù)可以獲得微波、毫米波或者太赫茲頻段的EIK輻射，設(shè)計滿足工作頻率需求的放大器。

所述EIK參見圖1。圖中包括EIK輸入腔體1和輸出腔體5，中間腔體3和4，包含EIK太赫茲信號輸入端口2，信號與電子注8完成能量交換而放大后通過輸出端口6和7輸出。

圖2為光柵與亞波長孔結(jié)構(gòu)的三維圖。本發(fā)明由兩排對稱光柵9構(gòu)成，每一排光柵的每個間隙有亞波長孔10，每個亞波長孔耦合到一個共同的腔體11。

圖3為結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。光柵的周期長度為p，間隙寬度為s，光柵高度為h，孔的長寬分別為hx、hz。

圖4(a)為光柵‐亞波長孔周期結(jié)構(gòu)色散關(guān)系圖。EIK工作在2π模，對工作頻率0.3THz的EIK，光柵的周期p為0.2mm，間隙s為0.1mm，光柵高度為0.175mm，圖中電子注電壓為10.9kV。本案中的新型光柵‐亞波長周期結(jié)構(gòu)中影響頻率的主要參數(shù)為光柵高度h與亞波長耦合孔的長度hx，圖4(b)為光柵高度h與亞波長耦合孔的長度hx對輻射頻率的影響。根據(jù)工作頻率的需要可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)滿足要求。

圖5為設(shè)計的輸入腔體及仿真得到的反射系數(shù)的變化特性。圖5(a)為4個周期組成的輸入腔體，圖5(b)為工作中心頻率0.3THz的輸入端口反射系數(shù)隨頻率的變化特性，反射系數(shù)小于‐3dB的頻率范圍大于0.5GHz。

圖6為設(shè)計的輸出腔體及仿真得到的傳輸系數(shù)的變化特性，輸出腔采用雙端口輸出，也可以采用如輸入腔體一樣的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)單端口輸出。圖6(a)為4個周期組成的輸出腔體，圖6(b)為工作中心頻率0.3THz的兩端口傳輸系數(shù)隨頻率的變化特性。

圖7(a)為粒子模擬時，EIK輸入信號頻率為0.3THz的功率約為7mW，EIK輸出腔體采用雙端口輸出結(jié)構(gòu)，圖7(b)為其中一端口輸出獲得的信號功率，采用新型光柵‐亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計的EIK，仿真獲得的增益約為32dB。