真空射频器件采用了周期结构来降低电磁波的相速,如前向波放大管、行波管(Traveling Wave Tube,TWT)、返波管(Backward Wave Oscillator,BWO)、回旋行波管等,其主要的慢波结构有各种叶片加载结构、螺旋线型、耦合腔型、梳状线、梯形线、叉指线、盘荷波导、螺旋波纹波导等.磁控管是利用周期结构激励出来的电磁波在谐振腔中形成振荡.在高频率器件中,如Smith-Purcell器件、斜注管[1]等,近年来研究比较多的周期结构有折叠波导(Folded Waveguide,FWG)、双/多排齿结构等一系列与微机电系统(Micro-Electromechanical System,MEMS)技术相兼容的二维结构,利用UV-LIGA或深反应离子刻蚀技术来加工[2, 3].
行波类真空电子器件的工作原理可以概括为电子枪组件中的阴极产生一束电子注,由聚焦系统维持一定的电子注形状,通过慢波结构中的电子注通道;高频电磁场通过输入系统进入慢波结构中传输,其沿电子运动方向的相速度与电子速度同步,电磁场通过注波互作用从电子注中获得能量,被放大的电磁场通过输出系统耦合出来,收集极则用来收集通过慢波结构后已经交出能量的电子.
作为真空电子器件的核心组件,慢波结构对器件的性能起到决定性作用,也在线性同步辐射光源等大设备中发挥了重要作用,因此被称为20世纪的英雄[4].慢波结构和目前基于光学以及材料学的“光子带隙[5]”和“超材料[6]”概念一脉相承,对其进一步开发和拓展将可以在W波段及太赫兹等高频率产生特点鲜明的新型真空电子器件.本文首先分析了周期结构的电磁特性,然后以一种适合于高频率真空功率器件的全金属折叠波导慢波结构为例,分析了其作为周期结构的电磁特性,提出了色散曲线全维度开发的概念,即根据色散特性的不同开发不同的真空功率器件,如利用其中的前向波特性、返波特性、带边特性等研制行波管、返波管和带边振荡器等,最后给出了利用这些特性在W波段及以上频率研制的器件及其性能.
1 周期结构的电磁特性慢波结构是一种周期结构,可以是一组周期结构加载的波导,也可以是一系列相互耦合的谐振腔.周期结构通过多点反射延缓了波的传输,最终形成了无限多个幅度比例一定的空间谐波.根据Floquet定理,无耗传输线上的电场可以表示为一系列空间谐波和的形式:
式中:z为纵向距离;Ez为z轴方向的电场强度分量;Ep(z)为周期性函数,在不同的周期,函数只存在相位变化;m为空间谐波次数;p为周期长度;Em(x,y)为m次空间谐波的电场强度,Ezm(x,y)为其在z轴的分量;e为自然对数的底数;j为虚数的单位;β为电磁波的传播常数;βm和β0分别为m次和0次空间谐波的传播常数.电磁波的相速度与频率的关系称为色散特性,空间谐波中只有一小部分的相速大于或等于光速,大部分都具有低于光速的相速度,因而可能与电子注处于同步,从而发生注波互作用,放大电磁波.为了描述电子注和电磁波的互作用强弱程度,引入耦合阻抗K的概念[7]:
式中:Ezm为m次空间谐波电场纵向分量的幅值;Prf为系统中所有空间谐波的总功率流.周期结构中存在许多通带,通带之间是止带.每一个通带对应一种模式;每个模式都是由各个空间谐波叠加而成的沿传播方向呈非正弦分布的行波.也就是说,周期结构中z方向非正弦分布的场由一系列z方向正弦分布的行波场,即空间谐波场叠加而成.真空电子器件通常采用闭合周期结构而不是开敞结构.
随着工作频率的升高,最常用的螺旋线和耦合腔慢波结构的加工变得非常困难,结构尺寸已达到几十μm至几百μm的量级[8],而且高频工作时螺旋线慢波结构的功率容量较低,散热也存在很大的困难.在太赫兹频域,微加工技术成为一种理想的工艺技术,而传统的螺旋线及其变态结构都不适合采用微加工技术.此时,折叠波导慢波结构展现出了它的价值.折叠波导是一种周期性波导,它是将矩形波导沿电场面(E面)像曲折线一样弯曲形成的一种慢波结构,如图 1所示.
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| 图 1 FWG结构示意图Fig. 1 Structure diagram of FWG |
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折叠波导慢波结构主要具有机械强度高、散热好、功率容量大、易于加工以及输入/输出耦合结构简单等优点.通过引入最先进的微加工技术,以折叠波导慢波结构为核心的微型真空电子器件很有潜力成为工作在毫米波甚至太赫兹频域的一种大功率、小型辐射源.折叠波导的色散特性可以通过3种方法进行分析:理论公式计算、等效电路法和软件模拟,虽然前2种方法计算速度更快,但是在分析折叠波导的止带和过模等方面时适用性差,因此利用CST微波工作室软件进行冷特性的精确仿真是得到折叠波导慢波结构色散曲线的一种最重要的分析方法.图 2为利用CST微波工作室计算的某折叠波导慢波结构的色散曲线示意图,其中字母F为前向波,此时相速和群速的方向一致.反之,字母B为返波.字母前的数字为空间谐波的次数,如式(1)所示,m=0时为基波,m为其他整数时为m次空间谐波.虚线框内的标识1为折叠波导行波管利用的-2次空间谐波(前向波);点划线区域中的标识2为折叠波导返波振荡器利用的+2次空间谐波(返波);实线区域中的标识3为折叠波导慢波结构的第一止带,标识4为非线性的二次时间谐波,标识5为折叠波导慢波结构的高次模式,即TE20模式.为了实现周期结构电磁特性在真空射频器件中的全维度应用,一方面是利用常规色散区域进行高频率行波管和返波振荡器的研制,另一方面是开拓色散的新区域,开展新器件的研究及实验验证.
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| 图 2 利用CST微波工作室软件计算得到的W波段FWG慢波结构的色散曲线Fig. 2 Dispersion curve of W-band FWG structure using CST microwave studio |
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2 高频率的开发和应用微波电真空器件国家级重点实验室对W波段行波管开展了10年的研究,通过自主研发突破了多项关键技术[9, 10, 11],目前,W波段连续波和脉冲行波管的峰值/平均功率、带宽、电子效率等技术指标均达到国际先进水平[12, 13, 14, 15].同时,实验室也开展了W波段返波振荡器以及太赫兹返波振荡器的研究,以研制实用化的高频率真空辐射源.
2.1 W波段连续波行波管W波段连续波行波管功率及饱和增益测试曲线如图 3所示.结果显示,研制的两支行波管在10GHz带宽内功率大于30W,最大功率大于40W,饱和增益大于30dB,工作电压和工作电流分别为16kV和80mA,流通率大于98.5%[16].
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| 图 3 W波段连续波TWT功率及饱和增益测试曲线[16]Fig. 3 W-band continuous wave TWT power and saturation gain tested curves[16] |
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2.2 W波段脉冲行波管W波段脉冲行波管脉冲功率测试曲线如图 4所示.结果显示,在工作电压和工作电流分别为22kV和180mA时,瞬时带宽达到10GHz,脉冲输出功率大于100W,全频带小信号增益大于40dB;工作比为1%,流通率大于96%[17].
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| 图 4 W波段脉冲TWT脉冲功率测试曲线[17]Fig. 4 Power tested curve of W-band pulsed TWT[17] |
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2.3 G波段行波管实验室正在研制G波段折叠波导行波管,目前已经完成了电子光学系统及注波互作用模拟和设计,图 5为利用Opera和CST粒子工作室模拟G波段折叠波导行波管的电子轨迹和输出功率,结果显示G波段折叠波导行波管可以实现99%以上的流通率,10W输出功率的带宽大于10GHz[18].
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| 图 5 G波段FWG TWT的电子轨迹和输出功率模拟结果Fig. 5 Electron optics and output power simulation results of G-band FWG TWT |
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2.4 W波段返波振荡器利用折叠波导慢波结构中的返波特性,研制了W波段返波振荡器,完成了平面阴极发射实验,最大电流密度可达44.23A/cm2.利用有效长度为80mm的均匀永磁聚焦系统,流通管的流通率大于50%.图 6为研制的W波段折叠波导返波管样管.
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| 图 6 W波段FWG BWO样管Fig. 6 Prototype of W-Band FWG BWO |
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3 色散新区域的开拓研究及实验验证3.1 太赫兹折叠波导带边振荡器为了实现太赫兹新频段的开拓,满足太赫兹应用对实用化功率源的需求,研发了太赫兹折叠波导慢波结构带边振荡器.器件工作在慢波结构的止带附近,利用高耦合阻抗的特点实现强注波互作用,可以作为大功率、小尺寸的太赫兹源.
折叠波导慢波结构中的电磁波在波导弯曲和电子注通道的位置由于存在不匹配会产生反射,这些反射虽然很小,但是不能忽略,多个反射相互叠加,导致折叠波导慢波结构产生了止带.图 7为带边振荡器的色散和耦合阻抗.对于同样的折叠波导慢波结构几何尺寸,以行波管的方式如果工作在W波段,对应第一止带的振荡器可以工作在更高的F波段,如图 7(a)和图 7(b)所示,因此,在器件尺寸相同的条件下可以获得更高频率的电磁波.图 7(b)中为区分不同周期相移分为A、B、C和D 4段曲线，图 7(c)为图 7(b)中C段与D段曲线对应的耦合阻抗.如图 7(c)所示,止带附近耦合阻抗值远大于行波管工作频率附近的耦合阻抗值.因此,基于带边振荡,提出了这种高频率、大功率、小型化的慢波结构带边振荡器,利用止带附近高耦合阻抗的特点实现强注波互作用,获得更高的功率.
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| 图 7 带边振荡器的色散和耦合阻抗Fig. 7 Dispersion and impedance of band-edge oscillator |
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研制了D波段折叠波导带边振荡器作为概念验证管,其工作电压为23.1kV,工作电流为150mA,测试得到其振荡频率为124.45GHz,最大脉冲输出功率达到32W.图 8为太赫兹折叠波导慢波结构带边振荡器的实物照片,图 9为折叠波导慢波结构带边振荡器的功率和频率测试曲线.
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| 图 8 太赫兹带边振荡器照片Fig. 8 Photo of Terahertz band-edge oscillator |
| 图选项 |
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| 图 9 FWG慢波结构带边振荡器功率和频率测试曲线Fig. 9 Tested power and frequency-tuning curve of FWG band-edge oscillator |
| 图选项 |
3.2 太赫兹行波管谐波放大器为了满足高性能、实用化的太赫兹源需求,提出了太赫兹行波管谐波放大器(TWT Harmonic Amplifier in THz，THAT)的概念.放大器立足于对传统行波管互作用后电子注中谐波信息的再利用,获得谐波产生、选择、放大及耦合.为了验证这一概念,通过W波段折叠波导脉冲行波管以及级联的二次谐波提取系统,研制了G波段(170~260GHz)行波管二次谐波放大器作为概念验证管.实验测试显示,在11.4GHz的频带范围内,二次谐波的输出功率大于100mW,最大功率达到500mW.本项工作证实了器件概念及可行性,根据需求可以进一步开展更高频率、更大功率的太赫兹源的研发.
图 10为太赫兹折叠波导行波管谐波放大器的照片,图 11为太赫兹行波管谐波放大器的功率和增益测试曲线.
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| 图 10 太赫兹FWG结构的THAT照片Fig. 10 Photo of THAT using FWG structure |
| 图选项 |
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| 图 11 THAT功率和增益测试曲线Fig. 11 Tested power and gain curve of THAT |
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3.3 过模行波管真空器件随着频率的提高能够达到的平均输出功率呈指数下降,采用过模互作用电路,是解决传统的工作在基模的行波管到更高频率后遇到的尺寸限制的一种有效方法.所谓过模互作用电路是指高频电路在工作频率下有不只一个传输模式,电子注与多个模式同时进行互作用.针对过模互作用电路中工作模式的选择和非工作模式的抑制两项关键技术,开展了设计和模拟研究,结果显示过模行波管在W波段可实现kW级的功率输出.图 12为利用CST粒子工作室建立的W波段过模行波管模型,以及其中单个几何周期的结构.
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| 图 12 过模FWG TWT模型Fig. 12 Solid model of overmode FWG TWT |
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图 13为过模折叠波导慢波结构完整的布里渊曲线图,对曲线中所有的分支进行了模式甄别,图 13中主要列出了TE10、TE20以及TE30 3个模式.常规的基模折叠波导行波管利用的是TE10模式,该过模行波管利用的是TE20模式.25kV为25kV电子注所在位移.
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| 图 13 过模FWG慢波结构完整的布里渊曲线Fig. 13 Complete Brillioun curve of overmode FWG slow wave structure |
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为了能够使所设计的TE20模式折叠波导行波管正常工作,设计了一个TE10到TE20的模式变换器,模拟结果表明TE10到TE20的模式转换效率能够达到99%以上.
整管粒子仿真得到的放大输出信号如图 14(a)所示,可以看出输出功率达到800W以上.对输出信号进行幅度傅里叶分析,信号频谱如图 14(b)所示,输出频谱中只有放大的94GHz信号[19].
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| 图 14 过模FWG TWT输出电压幅值和输出功率频谱Fig. 14 Output voltage amplitude and output power spectrum of overmode FWG TWT |
| 图选项 |
4 结 论1) 周期结构慢波系统的色散特性比较复杂,其中具有多个通带,也存在止带;各次空间谐波中既有返波,也有前向波.
2) 利用周期结构的全维度电磁特性,以及与MEMS技术相兼容的折叠波导慢波结构,在W波段及太赫兹领域开发了多种器件,如行波管、返波管等传统器件,以及带边振荡器、谐波放大器、过模行波管等新型器件.
3) 下一步将要探索新型场发射阴极在高频率器件中的应用,并进一步提高器件的功率、效率、寿命和可靠性等性能,实现工程应用.
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