一種低電壓擴(kuò)展互作用慢波器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于真空電子器件中的高功率微波、毫米波技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說是涉及一種與擴(kuò)展互作用振蕩器(E1)配套用低電壓、W波段或毫米波波段乃至太赫茲頻段擴(kuò)展互作用慢波器件。
【背景技術(shù)】
[0002]在電子信息領(lǐng)域，現(xiàn)代實(shí)用化的毫米波源電子器件主要分為兩類:微波電真空器件與半導(dǎo)體器件，然而，這兩類器件有本質(zhì)區(qū)別，并且各有其應(yīng)用范圍，微波電真空器件是以電磁波在真空中與電子束互作用為基本原理的一類龐大家族，是雷達(dá)、衛(wèi)星、制導(dǎo)組件、通信、醫(yī)療器械等關(guān)系國家安危與國計(jì)民生的重要系統(tǒng)的核心器件，此類器件自上世紀(jì)初問世以來在軍事和民用領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用；而半導(dǎo)體器件是基于半導(dǎo)體材料和工藝研制的電子器件，依賴半導(dǎo)體材料中晶格的結(jié)構(gòu)和載流子產(chǎn)生的電特性工作，其結(jié)構(gòu)和工作原理決定了它的低工作電壓特點(diǎn)，使其具有體積小、重量輕、可靠性好、易集成等優(yōu)點(diǎn)，其中低電壓工作使其廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、數(shù)字電視、汽車電子、醫(yī)療電子等民用領(lǐng)域，但其輸出功率小(特別是工作在毫米波和亞毫米波頻段時(shí))的特點(diǎn)又難以滿足當(dāng)下應(yīng)用的需要，所以很難應(yīng)用于航天工程領(lǐng)域及外太空探測(cè)器等需要高功率的場(chǎng)合。
[0003]隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在低功率、低頻率、低電壓場(chǎng)合半導(dǎo)體器件已基本取代電真空器件，但在高頻率、高功率應(yīng)用場(chǎng)合，電真空器件仍占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，如果微波電真空器件也能在較低電壓下工作，同時(shí)若能充分保證較高的輸出功率和能量轉(zhuǎn)換效率，則會(huì)對(duì)半導(dǎo)體器件產(chǎn)生很大的沖擊力，將在低電壓大功率和高頻率場(chǎng)合取代半導(dǎo)體器件，進(jìn)而，這種可以在低電壓下工作的微波電真空器件將極大拓寬電真空器件的應(yīng)用范圍，在更多的軍事和民用生活方面占據(jù)主導(dǎo)地位，形成電子工業(yè)領(lǐng)域的新前景。
[0004]目前電真空器件的工作電壓普遍較高，在毫米波波段，即使器件本身可以做到很小，但高電壓使得對(duì)電源體積和重量的壓縮變得困難，低電壓輻射源技術(shù)的突破將為系統(tǒng)的小型化及實(shí)用化邁出關(guān)鍵的一步，對(duì)毫米波輻射源器件的改進(jìn)就變得尤為重要。擴(kuò)展互作用振蕩器(Extended Interact1n Oscillator, E10)在工作原理上說仍是一種傳統(tǒng)的微波電真空器件，由于它在毫米波段乃至太赫茲波段上具有優(yōu)異的性能和重要的應(yīng)用價(jià)值，成為了一種很重要的毫米波輻射源。就E1而言，其通常采用慢波結(jié)構(gòu)與諧振腔體相互耦合構(gòu)成的擴(kuò)展互作用器件的諧振系統(tǒng)，既保證了功率、帶寬和效率的提升，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了器件的小型化和輕量化。
[0005]由一段擴(kuò)展互作用結(jié)構(gòu)構(gòu)成的單腔ΕΙ0，以W波段為例:在直流工作條件下，其連續(xù)波功率可達(dá)到100W，是現(xiàn)有半導(dǎo)體器件的100倍，如果是脈沖工作，其峰值功率可達(dá)連續(xù)波功率的20?30倍。目前毫米波E1已經(jīng)覆蓋了 30?500GHz的頻率，功率電平達(dá)到IkW?IW的連續(xù)波功率。而半導(dǎo)體器件中單個(gè)晶體管功率水平在毫瓦到瓦量級(jí)，而且頻率越高功率越低，在W波段只有0.2-0.5W的水平。盡管現(xiàn)有的E1器件能產(chǎn)生遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體器件的輸出功率，但是其高的工作電壓(一般大于10kV，高的可到40kV)限制了其應(yīng)用的范圍。如果能使E1工作在低電壓下同時(shí)保證其功率輸出是半導(dǎo)體器件的幾十甚至幾百倍，將可以彌補(bǔ)現(xiàn)有半導(dǎo)體器件功率小的缺點(diǎn)，降低在大功率應(yīng)用背景下的系統(tǒng)難度。
[0006]傳統(tǒng)的E1慢波結(jié)構(gòu)有周期加載波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、折疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、矩形重入式耦合腔結(jié)構(gòu)等，具有高電壓、高功率、高頻率、質(zhì)量小的特點(diǎn)。隨著工作電壓降低、頻率升高，將會(huì)遇到結(jié)構(gòu)加工困難、輸出功率降低的情況，而電子槍的輸出功率、低電壓和慢波電路的選擇是影響輸出功率的重要因素。目前國內(nèi)已有通過改進(jìn)電子注形狀提高輸出功率的專利，如申請(qǐng)?zhí)枮?01510081649的“一種用于大功率源的徑向擴(kuò)展互作用振蕩器”，所公開的一種采用環(huán)行帶狀電子注的徑向ΕΙ0，通過增大電子發(fā)射面積及增加電子束通道面積，使得E1在小電流密度下，能夠獲得更大功率，但其并沒有解決E1低電壓工作的問題。而公開號(hào)為CN104599924A的“一種多級(jí)互作用系統(tǒng)螺旋線行波管”則著重提出了一種多級(jí)互作用系統(tǒng)，利用各級(jí)互作用系統(tǒng)上的調(diào)節(jié)電極對(duì)電子束進(jìn)行調(diào)節(jié)，吸收每一級(jí)螺旋線中與電磁波完成互作用的低能量電子，即利用調(diào)節(jié)電極上的電位使低能量電子沉積在電極上，高能量電子繼續(xù)與電磁波在下一級(jí)互作用系統(tǒng)中產(chǎn)生能量交換，再將各級(jí)輸出端口的功率合成，從而提高行波管電子效率，由于調(diào)節(jié)電極的作用其行波管工作電壓較低，為4.5kV，且多級(jí)互作用系統(tǒng)相接使得整體慢波系統(tǒng)尺寸較長(zhǎng)，即互作用區(qū)較長(zhǎng)，聚焦系統(tǒng)較復(fù)雜，輸出功率經(jīng)合成后達(dá)百瓦量級(jí)，但工作頻率為Ku波段(12.4-18GHZ)，其工作頻率范圍窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于開發(fā)研究一種低電壓擴(kuò)展互作用慢波器件，該慢波器件用于擴(kuò)展互作用振蕩器(E1)、通過與低電壓的電子束相互作用，在W波段、毫米波乃至太赫茲頻段可得到5W?500W的輸出功率，以達(dá)到工作電壓低、頻率范圍寬，輸出功率高，以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易加工、便于整體集成等目的。
[0008]本發(fā)明的解決方案是:采用電子束通道將間隔設(shè)置的兩端開口的一組槽形光柵連通、組成一慢波結(jié)構(gòu)件，并在各槽形光柵的兩開口端各連接一耦合腔，同時(shí)在一耦合腔的外頂部通過耦合孔連接一輸出波導(dǎo)，從而構(gòu)成本發(fā)明所述低電壓擴(kuò)展互作用慢波器件。因而，本發(fā)明低電壓擴(kuò)展互作用慢波器件包括殼體，光柵及連通各光柵的電子束通道，關(guān)鍵在于在各光柵及電子束通道的兩側(cè)還分別設(shè)有一內(nèi)側(cè)為敞口的耦合腔，在其中一個(gè)耦合腔的外側(cè)頂部通過耦合孔還連接有一輸出波導(dǎo)；而光柵均為兩端開口的槽形光柵，各槽形光柵等間隔平行設(shè)于其殼體內(nèi)且通過貫穿殼體的電子束通道連通、以組成慢波結(jié)構(gòu)件，電子束通道為圓柱形通道、其中心線與各光柵大截面中心連線位于同一直線上；兩耦合腔內(nèi)側(cè)的敞口分別罩于槽形光柵兩側(cè)的開口端及前、后槽形光柵后，密封固定成一體。
[0009]所述分別設(shè)有一內(nèi)側(cè)為敞口的耦合腔，兩耦合腔內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)、尺寸相同，其順電子束通道中心線方向長(zhǎng)為不小于槽形光柵的個(gè)數(shù)與相鄰兩光柵中心距的乘積、內(nèi)側(cè)敞口至外側(cè)頂部的距離為工作波長(zhǎng)的1/6-1/4、前后寬不小于槽形光柵兩側(cè)邊之間的寬度。而所述電子束通道為圓柱形通道，其直徑為工作波長(zhǎng)的1/6-1/4。所述各槽形光柵等間隔平行設(shè)于其