[发明专利]一种行波再生反馈振荡系统

说明书

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种改进的行波再生反馈振荡系统，该系统可适用于高功率高频率信号源，在亚毫米波至太赫兹频段具有显著优势。

背景技术

亚毫米波（波长0.1～1mm）至太赫兹（THz，频率100GHz-100THz）频段的电磁波处于电子学和光学的交界处，具有光子能量低、频带宽、脉冲窄、指纹性、辐射小、信噪比高等特殊性质，其在物理、化学、天文学、生物学等领域得到广泛的关注，在通信、宇航、安全、医学成像、生物化学以及制造等行业中具有非常广阔的应用前景。

在太赫兹波段的研究中，距离大力全面的发展，最严峻的瓶颈是THz辐射源的匮乏。如何得到稳定可靠、高效高能以及低成本的辐射源，一直是最热门的研究方向之一。亚毫米波电真空器件虽然较其它器件在功率、效率上具有显著优势，但其工作机理决定了器件如果过小，电子注电流与电压必定有限，限制了功率、频率的进一步提升。与传统方式如激光器、回旋管、速调管等技术相比，近年得到发展的行波振荡器具有相对带宽宽、成本低、体积小等优点，在理论与实验中得到了一定的证明。

现有的一种行波振荡器，如图1所示，包括电子束噪声1、功率合成器2，行波管3、耦合器4、衰减器5及射频输出6组成。其原理为将电子束噪声1引入输入行波管2，行波管2输出信号一部分通过耦合器4和反馈回路的衰减器5后与新的电子束噪声1经功率合成器2叠加后重新输入行波管3，行波管3最终输出信号经耦合器4射频输出与行波管放大器的饱和输出功率相关的输出信号。

上述行波振荡器中，放大回路由单独的行波管担任，由于行波管通常生产加工完成后难以调节工作电压和放大倍率，所以该行波振荡器的输出频率范围受到很大的限制。

同时，上述行波振荡器中，反馈系统包括耦合器与衰减器，即进入正向放大器的输出信号通过耦合至衰减器衰减后与电子束噪声信号进行合成，该信号的幅度与相位变化均由反馈回路的衰减器决定。对于一般的衰减器，其相移一般为固定值，这使得满足振荡系统条件的输出信号频率与功率受到很大限制，且输出信号容易存在多模的非线性现象。

再有，上述行波振荡器中，噪声与反馈系统合成的信号在进入行波管放大器后，容易发生自激振荡现象，会导致系统效率降低、最终的输出信号不稳定，甚至烧毁现象。

发明内容

本发明提供一种改进的行波再生反馈振荡系统，用于产生亚毫米波段至太赫兹波段的高功率高频信号。该行波再生反馈振荡系统将含有衰减器与移相器的正反馈电路耦合在行波慢波放大器的输出端与输入端之间，构成再生反馈振荡回路，将电子束、噪声与自身产生的信号选择放大，最终实现稳态的信号输出。本发明克服了传统回旋管产生高功率高频信号的信号带宽窄、效率低的不足，同时克服了利用速调管、激光器产生高功率高频信号的体积大、成本高的不足，与现有的行波振荡器相比，输出信号更加稳定、效率更高。

本发明技术方案是：

一种行波再生反馈振荡系统，如图2所示，包括电子枪1、电子束会聚模块2、噪声电磁波信号3、功率合成器4、隔离器5、慢波电路6、耦合器7、衰减器8、移相器9、射频输出模块10。电子枪1产生的电子束经电子束会聚模块2聚焦后得到低半径电子束，所得低半径电子束与噪声电磁波信号3经功率合成器4叠加后一同穿过隔离器5后进入慢波电路6，低半径电子束与减慢轴向速度的噪声电磁波发生电子束-电磁波互作用，电子束将能量传递给噪声电磁波，将噪声电磁波信号功率放大；放大后的噪声电磁波信号经耦合器7耦合端输出，再经过衰减器8与移相器9，其幅度与相位发生相应的变化；经过放大、衰减与相位变化后的噪声电磁波信号与低半径电子束、噪声信号经功率合成器4叠加后穿过隔离器5后进入慢波电路6再次发生电子束-电磁波互作用；进一步放大后的噪声电磁波信号再次经耦合器7的耦合端输出，再次经过衰减器8与移相器9后与低半径电子束、噪声信号经功率合成器4进行叠加进入慢波电路6，如此形成循环；最终在耦合器7的输出端获得稳定的功率输出，并经过射频输出模块10输出高频高功率电磁波信号。

本发明采用将电子束、电子束会聚模块与慢波电路分离的方式替代现有的行波管放大器，可以改善输出频率的范围，且更易于系统中高频器件的加工。同时，将噪声与功率合成加在电子束会聚后，可改善系统效率。同时，本发明采用衰减器与移相器构成反馈回路，可使输出信号频率稳定，容易获得稳态单频信号。采用隔离器可使输入信号进入慢波电路时单向传播，同时抑制慢波电路中返波振荡，改善输出信号。