[发明专利]一种低电压扩展互作用慢波器件

说明书

技术领域

本发明属于真空电子器件中的高功率微波、毫米波技术领域，更具体的说是涉及一种与扩展互作用振荡器(EIO)配套用低电压、W波段或毫米波波段乃至太赫兹频段扩展互作用慢波器件。

背景技术

在电子信息领域，现代实用化的毫米波源电子器件主要分为两类：微波电真空器件与半导体器件，然而，这两类器件有本质区别，并且各有其应用范围，微波电真空器件是以电磁波在真空中与电子束互作用为基本原理的一类庞大家族，是雷达、卫星、制导组件、通信、医疗器械等关系国家安危与国计民生的重要系统的核心器件，此类器件自上世纪初问世以来在军事和民用领域发挥着非常重要的作用；而半导体器件是基于半导体材料和工艺研制的电子器件，依赖半导体材料中晶格的结构和载流子产生的电特性工作，其结构和工作原理决定了它的低工作电压特点，使其具有体积小、重量轻、可靠性好、易集成等优点，其中低电压工作使其广泛应用于消费电子、数字电视、汽车电子、医疗电子等民用领域，但其输出功率小(特别是工作在毫米波和亚毫米波频段时)的特点又难以满足当下应用的需要，所以很难应用于航天工程领域及外太空探测器等需要高功率的场合。

随着电子技术的发展，在低功率、低频率、低电压场合半导体器件已基本取代电真空器件，但在高频率、高功率应用场合，电真空器件仍占有绝对优势，如果微波电真空器件也能在较低电压下工作，同时若能充分保证较高的输出功率和能量转换效率，则会对半导体器件产生很大的冲击力，将在低电压大功率和高频率场合取代半导体器件，进而，这种可以在低电压下工作的微波电真空器件将极大拓宽电真空器件的应用范围，在更多的军事和民用生活方面占据主导地位，形成电子工业领域的新前景。

目前电真空器件的工作电压普遍较高，在毫米波波段，即使器件本身可以做到很小，但高电压使得对电源体积和重量的压缩变得困难，低电压辐射源技术的突破将为系统的小型化及实用化迈出关键的一步，对毫米波辐射源器件的改进就变得尤为重要。扩展互作用振荡器(ExtendedInteractionOscillator,EIO)在工作原理上说仍是一种传统的微波电真空器件，由于它在毫米波段乃至太赫兹波段上具有优异的性能和重要的应用价值，成为了一种很重要的毫米波辐射源。就EIO而言，其通常采用慢波结构与谐振腔体相互耦合构成的扩展互作用器件的谐振系统，既保证了功率、带宽和效率的提升，同时又实现了器件的小型化和轻量化。

由一段扩展互作用结构构成的单腔EIO，以W波段为例：在直流工作条件下，其连续波功率可达到100W，是现有半导体器件的100倍，如果是脉冲工作，其峰值功率可达连续波功率的20～30倍。目前毫米波EIO已经覆盖了30～500GHz的频率，功率电平达到1kW～1W的连续波功率。而半导体器件中单个晶体管功率水平在毫瓦到瓦量级，而且频率越高功率越低，在W波段只有0.2-0.5W的水平。尽管现有的EIO器件能产生远大于半导体器件的输出功率，但是其高的工作电压(一般大于10kV，高的可到40kV)限制了其应用的范围。如果能使EIO工作在低电压下同时保证其功率输出是半导体器件的几十甚至几百倍，将可以弥补现有半导体器件功率小的缺点，降低在大功率应用背景下的系统难度。

传统的EIO慢波结构有周期加载波导结构、折叠波导结构、矩形重入式耦合腔结构等，具有高电压、高功率、高频率、质量小的特点。随着工作电压降低、频率升高，将会遇到结构加工困难、输出功率降低的情况，而电子枪的输出功率、低电压和慢波电路的选择是影响输出功率的重要因素。目前国内已有通过改进电子注形状提高输出功率的专利，如申请号为201510081649的“一种用于大功率源的径向扩展互作用振荡器”，所公开的一种采用环行带状电子注的径向EIO，通过增大电子发射面积及增加电子束通道面积，使得EIO在小电流密度下，能够获得更大功率，但其并没有解决EIO低电压工作的问题。而公开号为CN104599924A的“一种多级互作用系统螺旋线行波管”则着重提出了一种多级互作用系统，利用各级互作用系统上的调节电极对电子束进行调节，吸收每一级螺旋线中与电磁波完成互作用的低能量电子，即利用调节电极上的电位使低能量电子沉积在电极上，高能量电子继续与电磁波在下一级互作用系统中产生能量交换，再将各级输出端口的功率合成，从而提高行波管电子效率，由于调节电极的作用其行波管工作电压较低，为4.5kV，且多级互作用系统相接使得整体慢波系统尺寸较长，即互作用区较长，聚焦系统较复杂，输出功率经合成后达百瓦量级，但工作频率为Ku波段(12.4-18GHz)，其工作频率范围窄。

发明内容