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申请/专利权人：广东工业大学

摘要：本发明提出了一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，通过若干个隔断耦合的TM10,1,0模同轴耦合腔分别提取电子注的能量，将能量转换为电磁波后，分别通过矩形耦合孔和模式转换腔耦合至沿轴向的输出圆波导中，并通过调整同轴耦合腔之间的距离和输出圆波导的波导波长，实现输出电磁波的同相叠加。每个同轴耦合腔都包含若干个工作在TM10,1,0模的同轴谐振腔，共放置10个对工作频段电磁波截止的电子注通道，每个电子注通道中都可以通过一个或多个电子注，即至少可以容纳10个电子注，从而提高器件的功率和效率，也降低了电子注的电流密度。

主权项：1.一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其特征在于，其金属壳体包括1个圆环形外套筒、1个圆柱形底部内芯、若干个圆柱形中间内芯和1个圆柱形顶部内芯，其中，在外套筒内依次套入底部内芯、中间内芯以及顶部内芯；在所有内芯的外周沿轴向位置每隔预设的周期长度，沿圆周方向加工2至4组，每组3至11个等深度的圆环形凹槽，使得内芯与外套筒间形成2至4组，每组3至11个同轴谐振腔，同轴谐振腔工作在TM10,1,0模；沿着每组同轴谐振腔的轴向加工有10个耦合通道，所述耦合通道在圆周方向呈等间隔排列，同一组的同轴谐振腔的同一方位的耦合通道互相贯通，不同一组的同轴谐振腔的同一方位的耦合通道不贯通；上述同一组的3至11个同轴谐振腔和10个耦合通道构成一个同轴耦合腔，总共设置2至4个同轴耦合腔；在同轴谐振腔的纵向电场极大值的径向位置开设10个贯穿所有同轴谐振腔的圆柱形电子注通道，电子注通道对工作频段电磁波截止，所述电子注通道在圆周上呈等间隔排列，同时与所述耦合通道错开；在中间内芯的上下表面各加工有10个沿着圆周方向等间隔排列的截面为矩形的输出耦合孔和一个圆形的模式转换腔，输出耦合孔将同轴耦合腔的处于中间的同轴谐振腔与模式转换腔连接起来；在中间内芯和顶部内芯中设置输出圆波导，输出耦合孔、模式转换腔和输出圆波导共同构成轴向输出结构；通过2至4个隔断耦合的TM10,1,0模同轴耦合腔分别提取电子注的能量并为电磁波后，分别通过输出耦合孔和模式转换腔，将电磁波耦合至沿轴向的输出圆波导中，并通过调整同轴耦合腔之间的距离和输出圆波导的波导波长，实现输出电磁波的同相叠加；所述在所有内芯的外周沿轴向位置按照预设的周期长度在圆周方向加工若干个圆环形凹槽中的周期长度由电子注的加速电压决定。

全文数据：一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路技术领域本发明涉及涉及电真空微波器件领域，更具体地，涉及一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路。背景技术扩展互作用器件是可在毫米波甚至太赫兹波段上实现大功率输出的新型真空电子器件，主要包括了扩展互作用速调管EIK和扩展互作用振荡器EIO两种。输出电路是扩展互作用器件的重要组成部分，其由多间隙耦合腔，也称扩展互作用谐振腔，和输出结构组成。多间隙耦合腔由多个单独的谐振腔通过耦合结构连接在一起，电子注通道穿过所有谐振腔，为电子提供通道，并且与各个谐振腔形成互作用间隙，因此这种结构成为多间隙耦合腔。电子注通道对电磁场处于截止状态，电磁场基本上集中在间隙内，所以电子注与多间隙耦合腔的相互作用也是基本上集中在间隙内。电子注在注通道内穿过整个多间隙耦合腔，同时与所有互作用间隙的高频电磁场发生能量交换，也称为互作用，将自身的动能转化为电磁场的能量，然后通过输出结构，将电磁能量输送到外部负载上，最终实现电子注能量的提取。由于电子注与电磁场的相互作用分布在多个间隙内，因此多间隙耦合腔又称为分布作用腔或扩展互作用腔。可见耦合腔输出电路是电子的能量转化为电磁波能量的重要场所，决定了整个扩展互作用器件的输出功率、效率和带宽等关键性能。扩展互作用器件在毫米波段具有较高的效率和功率，但是当频率提高到太赫兹THz波段，随着频率上升，器件内部结构的尺寸将逐渐缩小，注波互作用距离的缩短和强电场击穿阈值限制了注波换能效率和输出功率水平的提高，同时也使其制造工艺难度大增。为了跨越电子学“缩尺效应”的障碍，使扩展互作用器件在THz波段有较高的效率和功率，必须设计合适的耦合腔输出电路结构。目前的大部分的扩展互作用器件主要工作在基模即谐振频率最低的谐振模式，如殷勇等人提出的“一种低电压扩展互作用慢波器件”，电子注集中在腔体中心，随着工作频率的提高到太赫兹THz波段，耦合腔的横向尺寸和互作用间隙逐渐缩小，电子注通道的直径也随之变得十分细小才能切断电磁波在通道内的传播，过于细小的电子注通道会影响电子的通过率，从而严重影响器件的效率和寿命。在电子注通道直径大小合理的情况下，只能加大电子注的电流来提高输出功率和效率，这样大大增加了电子注的电流密度，导致电子枪的阴极负载极高，也严重缩短了器件的寿命。目前高电流密度且长寿命的电子枪阴极还不成熟，难以产生高电流密度且小直径的电子注，因此电子注的电流并不能无限制地增大。此外，目前的传统的扩展互作用输出电路采用单级设计，即仅用一个耦合腔提取电子注的能量，其输出功率的提高随着耦合腔包含的间隙数量增加而逐渐饱和。此外，由于多间隙耦合腔引入了纵向谐振模式，纵向模式的数量与间隙数量相同，模式的数量越多，模式之间的频率间隔越窄，因此增加间隙数量会增加模式竞争的风险，导致器件不稳定，因此采用单个耦合腔的单级输出电路难以有效提高输出功率和效率。总的来说，传统的耦合腔输出电路在太赫兹频段存在横向尺寸小，需要很高电流密度的电子注，输出功率小，效率低的缺点。发明内容本发明提供一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，将扩展互作用器件的工作频率从毫米波段拓展至太赫兹波段，克服传统耦合腔输出腔的横向尺寸太小，要求电子注的电流密度很高，注波换能效率太低等困难，有效提高器件的功率和效率。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其金属壳体包括1个圆环形外套筒、1个圆柱形底部内芯、若干个圆柱形中间内芯和1个圆柱形顶部内芯，其中，在外套筒内依次套入底部内芯、中间内芯以及顶部内芯；在所有内芯的外周沿轴向位置每隔预设的周期长度，沿圆周方向加工2至4组，每组3至11个等深度的圆环形凹槽，使得内芯与外套筒间形成2至4组，每组3至11个同轴谐振腔，同轴谐振腔工作在TM10,1,0模；沿着每组同轴谐振腔的轴向加工有10个耦合通道，所述耦合通道在圆周方向呈等间隔排列，同一组的同轴谐振腔的同一方位的耦合通道互相贯通，不同一组的同轴谐振腔的同一方位的耦合通道不贯通；上述同一组的3至11个同轴谐振腔和10个耦合通道构成一个同轴耦合腔，总共可以设置有2至4个同轴耦合腔；在同轴谐振腔的纵向电场极大值的径向位置开设10个贯穿所有同轴谐振腔的圆柱形电子注通道，电子注通道对工作频段电磁波截止，所述电子注通道在圆周上呈等间隔排列，同时与所述耦合通道错开；在中间内芯的上下表面各加工有10个沿着圆周方向等间隔排列的截面为矩形的输出耦合孔和一个圆形的模式转换腔，输出耦合孔将同轴耦合腔的处于中间的同轴谐振腔与模式转换腔连接起来；在中间内芯和顶部内芯中设置输出圆波导，输出耦合孔、模式转换腔和输出圆波导共同构成轴向输出结构。上述方案中，通过2至4个隔断耦合的TM10,1,0模同轴耦合腔分别提取电子注的能量并为电磁波后，分别通过输出耦合孔和模式转换腔，将电磁波耦合至沿轴向的输出圆波导中，并通过调整两个同轴耦合腔之间的距离和输出圆波导的波导波长，实现输出电磁波的同相叠加，有效增加输出功率和效率。同时也能够避免因耦合腔内包含的间隙数量过多而导致模式干扰。增加耦合通道的宽度可以增加耦合腔的纵向谐振模式间频率间隔，减小模式干扰的风险，但是会降低腔体的特性阻抗，降低互作用效率，因此要折中选择。两个同轴耦合腔之间的距离应为周期长度的整数倍，但是考虑到电子在通过耦合腔的过程中逐渐减速，实际上要略小于周期长度的整数倍，电子注通道的半径必须足够小，以切断电磁波在通道内的传播，模式转换腔的作用是将输出耦合孔中的TE1,0模电磁波转换为输出圆波导中的TM0,1模电磁波。输出耦合孔的宽度决定了输出腔的外部品质因数，增大宽度则增强了耦合腔与输出结构的耦合，外部品质因数下降，反之则外部品质因数上升。外部品质因数影响输出电路的输出功率和带宽，因此要根据实际情况选择。优选地，所述同轴谐振腔的外半径为外套筒的内半径，所述同轴谐振腔的内半径为同轴谐振腔的外半径减去圆环形凹槽的深度，所述同轴谐振腔的腔体高度为圆环形凹槽的宽度，由电子注的加速电压以及需要的电子渡越角计算决定。优选地，所述在所有内芯的外周沿轴向位置按照预设的周期长度在圆周方向加工若干个圆环形凹槽中的周期长度由电子注的加速电压决定。优选地，所述同轴谐振腔的腔体高度可全部相等，因为电子在通过耦合腔的过程中逐渐减速，所以也可沿输出方向逐渐递减。优选地，共设置2至4个隔断耦合的同轴耦合腔，每个同轴耦合腔包括3至11个同轴谐振腔，所有谐振腔都工作在TM10,1,0模。优选地，沿着每个同轴耦合腔的圆周方向设置有10个耦合通道，所述耦合通道在圆周方向呈等间隔36°排列，且两个同轴耦合腔之间的耦合通道不连通。优选地，在同轴谐振腔的纵向电场极大值的径向位置开设10个贯穿所有同轴谐振腔的圆柱形电子注通道，所述电子注通道在圆周上呈等间隔36°排列，同时与所述耦合通道错开18°。优选地，所述圆柱形电子注通道对工作频段的电磁波截止。与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：采用高次模同轴耦合腔，其工作在TM10,1,0横向尺寸大，降低了加工难度，而且有足够的空间设置多个电子注通道，容纳多个电子注，可以有效地增加输出功率，降低电子注的电流密度。特性阻抗大，提高电子注与电磁场的互作用效率。采用轴向输出结构，最大程度减小输出电路对电场分布的影响，保证了互作用的有效性，同时避免电子因电场的变形而轰击电子注通道的内壁。可以对电子注的能量进行多次提取，并同相叠加，打破单级输出电路的限制，在避免模式干扰的情况下有效提高输出电路的输出功率和效率。以上手段将使得本发明提出的扩展互作用输出电路在太赫兹频段也有良好的性能。附图说明图1为一种级联式TM10,1,0模同轴腔扩展互作用输出电路的纵剖面结构示意图。图2为图1的A-A剖面图。图3为图1的B-B剖面图。图4为图1的C-C剖面图。图中1为外套筒，2为底部内芯，3为中间内芯，4为顶部内芯，5为耦合通道，6为同轴耦合腔，7为电子注通道，8为输出耦合孔，9为模式转换腔，10为输出圆波导。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，如图1至4，包括圆环形外套筒1、圆柱形底部内芯2、两个圆柱形中间内芯3和圆柱形顶部内芯4，其中，在外套筒1内依次套入底部内芯2、两个中间内芯3以及顶部内芯4；在所有内芯的外周沿轴向位置每隔预设的周期长度，周期长度由电子注的加速电压决定，沿圆周方向加工两组，每组5个，共10个圆环形凹槽，使得内芯与外套筒1间形成两组，每组5个，共10个同轴谐振腔，同轴谐振腔的外半径为外套筒1的内半径，所述同轴谐振腔的内半径为同轴谐振腔的外半径减去圆环形凹槽的深度，所述同轴谐振腔的腔体高度为圆环形凹槽的宽度，由电子注的加速电压以及需要的电子渡越角计算决定，同轴谐振腔的腔体高度全部相等；沿着每组同轴谐振腔的轴向加工有10个耦合通道5，所述耦合通道5在圆周方向呈等间隔排列，同一组的同轴谐振腔的同一方位的耦合通道5互相贯通，不同一组的同轴谐振腔的同一方位的耦合通道5不贯通；上述同一组的5个同轴谐振腔和10个耦合通道5构成一个同轴耦合腔6，总共有2个同轴耦合腔6；在同轴谐振腔的纵向电场极大值的径向位置开设10个贯穿所有同轴谐振腔的圆柱形电子注通道7，所述电子注通道7在圆周上呈等间隔排列，同时与所述耦合通道5错开；每个中间内芯3的上下表面各加工有10个沿着圆周方向等间隔排列的输出耦合孔8和一个圆形的模式转换腔9，输出耦合孔8将同轴耦合腔6与模式转换腔9连接起来；在中间内芯3和顶部内芯4中设置输出圆波导10，两个模式转换腔9都与输出圆波导10相连接，输出耦合孔8、模式转换腔9和输出圆波导10共同构成轴向输出结构。在具体实施过程中，如图1至4，工作频率为300GHz，电子注电压为20kV，同轴耦合腔6的外半径为2.648mm，内半径为1.8mm，周期长度为0.272mm；每个同轴谐振腔的高度均为0.12mm；电子注通道7半径为0.12mm；耦合通道5的宽度为0.4mm，输出耦合孔8的宽度为0.47mm，模式转换腔9的半径为0.13mm，圆波导半径为0.45mm。每个同轴耦合腔6都包含5个相同的同轴谐振腔。两个同轴耦合腔6之间的距离为0.51mm。本实施方案经过计算机仿真，在10个加速电压为20kV，直流电流为0.1A，基波电流为0.15A，电子注半径0.1mm的已调制电子注驱动下，输出功率达到406W，输出效率2％。此时电子注的电流密度仅为318Acm2，现有热阴极产生的热电子注经过一定的压缩后即可实现。相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

权利要求：1.一种多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其特征在于，其金属壳体包括1个圆环形外套筒、1个圆柱形底部内芯、若干个圆柱形中间内芯和1个圆柱形顶部内芯，其中，在外套筒内依次套入底部内芯、中间内芯以及顶部内芯；在所有内芯的外周沿轴向位置每隔预设的周期长度，沿圆周方向加工2至4组，每组3至11个等深度的圆环形凹槽，使得内芯与外套筒间形成2至4组，每组3至11个同轴谐振腔，同轴谐振腔工作在TM10,1,0模；沿着每组同轴谐振腔的轴向加工有10个耦合通道，所述耦合通道在圆周方向呈等间隔排列，同一组的同轴谐振腔的同一方位的耦合通道互相贯通，不同一组的同轴谐振腔的同一方位的耦合通道不贯通；上述同一组的3至11个同轴谐振腔和10个耦合通道构成一个同轴耦合腔，总共设置2至4个同轴耦合腔；在同轴谐振腔的纵向电场极大值的径向位置开设10个贯穿所有同轴谐振腔的圆柱形电子注通道，电子注通道对工作频段电磁波截止，所述电子注通道在圆周上呈等间隔排列，同时与所述耦合通道错开；在中间内芯的上下表面各加工有10个沿着圆周方向等间隔排列的截面为矩形的输出耦合孔和一个圆形的模式转换腔，输出耦合孔将同轴耦合腔的处于中间的同轴谐振腔与模式转换腔连接起来；在中间内芯和顶部内芯中设置输出圆波导，输出耦合孔、模式转换腔和输出圆波导共同构成轴向输出结构。2.权利要求1所述的多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其特征在于，通过2至4个隔断耦合的TM10,1,0模同轴耦合腔分别提取电子注的能量并为电磁波后，分别通过输出耦合孔和模式转换腔，将电磁波耦合至沿轴向的输出圆波导中，并通过调整同轴耦合腔之间的距离和输出圆波导的波导波长，实现输出电磁波的同相叠加。3.根据权利要求1所述的多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其特征在于，所述在所有内芯的外周沿轴向位置按照预设的周期长度在圆周方向加工若干个圆环形凹槽中的周期长度由电子注的加速电压决定。4.根据权利要求1所述的多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其特征在于，所述同轴谐振腔的外半径为外套筒的内半径，所述同轴谐振腔的内半径为同轴谐振腔的外半径减去圆环形凹槽的深度，所述同轴谐振腔的腔体高度为圆环形凹槽的宽度，由电子注的加速电压以及需要的电子渡越角计算决定。5.根据权利要求4所述的多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其特征在于，所述同轴谐振腔的腔体高度可全部相等也可沿输出方向逐渐递减。6.根据权利要求1所述的多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其特征在于，共设置两个完全隔断耦合的同轴耦合腔，每个同轴耦合腔包括3至11个同轴谐振腔，所有谐振腔都工作在TM10,1,0模。7.根据权利要求5所述的多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其特征在于，沿着每个同轴耦合腔的圆周方向设置有10个耦合通道，所述耦合通道在圆周方向呈等间隔36°排列，且两个同轴耦合腔之间的耦合通道不连通。8.根据权利要求1所述的多次提取式TM10,1,0模同轴耦合腔输出电路，其特征在于，在同轴谐振腔的纵向电场极大值的径向位置开设10个贯穿所有同轴谐振腔的圆柱形电子注通道，所述电子注通道在圆周上呈等间隔36°排列，同时与所述耦合通道错开18°。

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