W波段繞射輻射振蕩器技術(shù)的研究

席洪柱,李 榮，賀兆昌，劉勁松

(1.安徽華東光電技術(shù)研究所，安徽 蕪湖 241002；2.太赫茲器件研究與應(yīng)用國際聯(lián)合研究中心，安徽 蕪湖 241002)

毫米波和亞毫米波技術(shù)[1-4]在物體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶通信、雷達(dá)等領(lǐng)域具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。在世界范圍內(nèi)，對(duì)該頻段電磁波產(chǎn)生和應(yīng)用的研究方興未艾，尤其是對(duì)高功率毫米波和亞毫米波輻射源的研制逐漸成為科研熱點(diǎn)。繞射輻射振蕩器是基于Smith-Purcell效應(yīng)[5]研制的一種非常有應(yīng)用前景的毫米波和亞毫米波電磁輻射源，也被稱為Smith-Purcell效應(yīng)自由電子激光。該類振蕩器利用準(zhǔn)光學(xué)開放式諧振腔和周期性繞射光柵組成高頻互作用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了周期性結(jié)構(gòu)場與電子束的分布互作用，有利于高頻系統(tǒng)中大容量電磁波進(jìn)行能量交換。相對(duì)于傳統(tǒng)封閉式諧振腔振蕩器，該類器件有效解決了因“波長共度”效應(yīng)導(dǎo)致的零件加工精度高、熱傳導(dǎo)難和振蕩頻譜密度高等難題[6]。研制的繞射輻射振蕩器在前期理論研究的基礎(chǔ)上[7]，采用雙梳型光柵作為慢波系統(tǒng)以提高器件的波-注互作用效率，通過調(diào)整雙梳型件慢波系統(tǒng)與開放式諧振系統(tǒng)的諧振場使其頻率匹配，實(shí)現(xiàn)在繞射輻射振蕩器中諧振場幅值的最大化。測試表明：研制的繞射輻射振蕩器輸出功率高、頻譜特性優(yōu)良、譜線寬度窄、頻率穩(wěn)定性高，具有機(jī)械調(diào)諧和電子調(diào)諧特性,因而有很寬的復(fù)合調(diào)諧頻帶。這種器件是產(chǎn)生短毫米波和亞毫米波相干振蕩的一種新型功率源。

1 器件設(shè)計(jì)

研制的繞射輻射振蕩器高頻系統(tǒng)開放式諧振腔(由球鏡面和平面鏡組成)和雙梳型光柵構(gòu)成如圖1所示。雙梳形件位于平面鏡的中心處，且與其表面對(duì)齊。具有一定速度的電子注沿著雙光柵形成的電子注通道δ×b中的光柵表面通過時(shí)，電子注與光柵結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生Smith-Purcell繞射輻射波。當(dāng)電子注的速度v0與特定分布于光柵表面附近的電磁波相速Vph同步時(shí)(v0≌Vph)，電子注將會(huì)與電磁波發(fā)生互作用并產(chǎn)生群聚，從而與諧振腔內(nèi)的高頻場進(jìn)行有效的能量交換，具體色散關(guān)系如式(1)所示。

(1)

圖1 繞射輻射振蕩器高頻系統(tǒng)示意圖 圖2 高頻慢波系統(tǒng)的色散曲線

振蕩器采用的準(zhǔn)光學(xué)開放腔反饋電子注與光柵結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的繞射輻射波，在諧振腔中激勵(lì)生成TEMmnq型振蕩，其中m和n表示腔內(nèi)沿著軸OX、OY諧振場的橫模特征值，q表示沿著軸OZ的縱模特征值，均為正整數(shù)。根據(jù)腔體諧振條件,選擇準(zhǔn)光學(xué)開放腔本征場某一模式的頻率振蕩,被腔體上下鏡反饋的高頻場對(duì)電子注進(jìn)行調(diào)制,被調(diào)制后的電子注又在光柵上激勵(lì)起更強(qiáng)的輻射，如此往復(fù)，直到高頻電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中建立起穩(wěn)定的相干振蕩。高頻能量由球面鏡中部的耦合波導(dǎo)輸出。文中研制的振蕩器除了可以改變電子注的速度,使電子注與不同相速的諧波同步,實(shí)現(xiàn)器件的電子調(diào)諧外，還可以改變上下鏡的距離使開放腔建立相應(yīng)頻率的本征振蕩而進(jìn)行機(jī)械調(diào)諧。通過這兩種方式進(jìn)行復(fù)合調(diào)諧,實(shí)現(xiàn)較寬頻帶的高頻振蕩。對(duì)于半球型開放式諧振腔，TEMmnq振蕩模式的球面間距D與振蕩波長的關(guān)系曲線可以根據(jù)式(2)近似計(jì)算：

(2)

研制的繞射輻射振蕩器高頻系統(tǒng)在TEM006模上諧振場Ey分量分布情況如圖3所示。該數(shù)據(jù)是通過對(duì)器件高頻系統(tǒng)模擬仿真得到的，在這個(gè)二維模型中平面鏡中心處的矩形槽是為了模擬開放式諧振系統(tǒng)中的雙梳形件形成的諧振槽?？梢园l(fā)現(xiàn)在該振蕩模式下，當(dāng)矩形槽子中存在諧振場的一個(gè)縱模變化時(shí)，鏡面之間的Ey分量分布與平面鏡中沒有矩形槽的開口腔中諧振場的高斯分布相符合，即矩形槽子的存在沒有破壞鏡面之間的空間中諧振場的分布。矩形槽子中的電場強(qiáng)度最強(qiáng)，這非常有利于帶狀電子注與光柵表面諧波的相互作用。

圖3 開放式諧振系統(tǒng)的TEM006諧振場Ey分布情況

通過理論計(jì)算和仿真模擬，最終確定的器件高頻系統(tǒng)參數(shù)如下：球形鏡面曲率半徑Rsph=110 mm，雙梳形件高度b=4.0 mm，梳形件的周期L=0.4 mm，梳形件槽子的寬度d=0.15 mm；電子注通道寬度δ=0.15 mm；周期性結(jié)構(gòu)槽子的切割長度d=0.15 mm，槽子深度為h=0.81 mm，該光柵件采用慢走絲工藝制備。

研制的繞射輻射振蕩器采用安徽華東光電技術(shù)研究所研制的帶狀注電子光學(xué)系統(tǒng)[8-10]。該電子光學(xué)系統(tǒng)在磁場強(qiáng)度0.6 T，工作電壓5 kV時(shí)，電子束電流可達(dá)200 mA,完全滿足本器件的需求。

2 測試結(jié)果與分析

在完成繞射輻射振蕩器冷卻系統(tǒng)、高壓供電系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和能量耦合輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制后，通過真空焊、氬弧焊等工藝對(duì)繞射輻射振蕩器進(jìn)行了整管組裝，并通過高真空排氣臺(tái)使繞射輻射振蕩器的管內(nèi)真空度達(dá)到1×10-5Pa以上，以利于器件工作時(shí)真空度優(yōu)于5×10-5Pa。最終制備的繞射輻射振蕩器如圖4所示。

對(duì)繞射輻射振蕩器的測試是在連續(xù)波工作模式下進(jìn)行的。繞射輻射振蕩器激勵(lì)輸出信號(hào)與鏡面調(diào)諧距離D的關(guān)系如圖5所示。實(shí)點(diǎn)是實(shí)測數(shù)據(jù)，實(shí)線是根據(jù)式(2)計(jì)算的理論值。由圖5可知，振蕩器除了在開放式諧振系統(tǒng)基模TEM00q上振蕩外，還存在更高模式振蕩(如TEM20q、TEM40q等)。繞射輻射振蕩器在TEM003模上工作時(shí)調(diào)頻范圍最大，從91.6 GHz到98.6 GHz，這可能是因?yàn)樵谠撃Ｊ较码p梳形件上承載的繞射損耗水平最低，有利于器件在該模式下獲得較大的調(diào)諧范圍。器件實(shí)測的調(diào)諧范圍與理論設(shè)計(jì)值相比有些降低，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因或許是實(shí)際零件加工表面粗糙度達(dá)不到理論值的要求，而且器件裝配過程中會(huì)有一定的尺寸誤差，這些都會(huì)導(dǎo)致器件實(shí)際的歐姆損耗和繞射輻射損耗增加，降低了器件的頻率調(diào)諧范圍。

圖4 研制的繞射輻射振蕩器 圖5 繞射輻射振蕩器的機(jī)械調(diào)諧情況

繞射輻射振蕩器從TEM003到TEM008模式上調(diào)諧時(shí)所需啟振電流和輸出功率情況如圖6所示。圖6給出的繞射輻射振蕩器輸出功率對(duì)應(yīng)的陰極工作電流Ia為70 mA。由圖6可知，當(dāng)振蕩頻率在93.5～95.2 GHz之間時(shí)，器件所需啟振電流較小，范圍為35 mA到45 mA。振蕩器每一個(gè)振蕩模式上的最大輸出功率也都集中在該頻段，例如在TEM008模式下，器件在94.6 GHz附近最大輸出功率約為2.0 W。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因或許是研制的開放式諧振系統(tǒng)在93.5 GHz到95.2 GHz頻帶內(nèi)具有相對(duì)較高的Q值，如圖3所示，當(dāng)光柵槽內(nèi)恰好有一個(gè)縱向模式時(shí)，對(duì)應(yīng)的Q值近似等于光滑鏡面開口腔中的歐姆Q值。但當(dāng)振蕩器的振蕩頻點(diǎn)偏離該頻段時(shí)，光柵構(gòu)成矩形槽子上諧振場的散逸會(huì)引起繞射損耗上升，使得開放式諧振系統(tǒng)的Q值降低。因此，無論在該頻段以外的高頻區(qū)域還是低頻區(qū)域，繞射輻射振蕩器都需要相對(duì)較高的啟振電流，器件的輸出功率也會(huì)相對(duì)降低。

圖6 繞射輻射振蕩器在不同模上調(diào)諧時(shí)的輸出功率和啟振電流值

繞射輻射振蕩器在TEM007模式下電子調(diào)諧時(shí)電子加速電壓和輸出頻率的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可以看出，振蕩器的輸出頻率與電子加速電壓在4.1 kV到4.4 kV范圍內(nèi)近似成線性關(guān)系，斜率約為0.7 MHz/V。繞射輻射振蕩器工作在TEM007模式上頻率為94.72 GHz時(shí)的輸出功率與陰極電流關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可知，振蕩器的輸出功率隨著陰極電流的增加而增加。當(dāng)陰極電流為140 mA時(shí)，輸出功率可達(dá)8 W。圖8中的插入圖是研制繞射輻射振蕩器的輸出頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)振蕩器的輸出頻率除主峰94.7 GHz外，沒有雜峰，表明振蕩器的輸出頻譜純度非常高。該振蕩器的壽命約為1 000小時(shí)。

圖7 振蕩器輸出頻率與電子加速電壓關(guān)系 圖8 振蕩器輸出功率與陰極電流關(guān)系及頻譜

3 結(jié)論

研制的繞射輻射振蕩器高頻系統(tǒng)采用球面鏡和平面鏡作為開放式諧振腔，雙梳形光柵作為慢波結(jié)構(gòu)。通過該振蕩器高頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，使其具有良好的色散特性和諧振場分布，該高頻系統(tǒng)被成功應(yīng)用于繞射輻射振蕩器中。測試表明：研制的振蕩器開放式諧振腔是一個(gè)多模式工作腔，通過機(jī)械調(diào)諧可以使其工作在不同的TEMmnq模式下，調(diào)諧范圍從91.6 GHz到98.6 GHz。器件在中心頻段93.5 GHz到95.2 GHz之間擁有相對(duì)較小的啟振電流和相對(duì)較大的輸出功率。電子調(diào)諧時(shí)，振蕩器的輸出頻率隨電子加速電壓的增加而增加。振蕩器的輸出功率隨陰極發(fā)射電流的增加而增加。該繞射輻射振蕩器在連續(xù)波模式下輸出功率可達(dá)8 W以上。振蕩器的輸出頻譜除主峰外，沒有任何雜峰，具有較高信噪比和優(yōu)良的頻譜特性。