[发明专利]高频互作用电路及制备方法

说明书

本公开提供一种高频互作用电路，涉及高频互作用电路技术领域。高频互作用电路包括：电子注通道，用于为电子注流动提供通道；群聚段，包括多个群聚段谐振腔，各所述群聚段谐振腔设置于所述电子注通道上与所述电子注通道联通，且各所述群聚段谐振腔按其各轴线在同一直线上进行排列，所述群聚段用于对所述电子注进行调制和群聚，形成增强电子注；输出段，包括输出段谐振腔，所述输出段谐振腔设置于所述群聚段的所述电子注输出侧的所述电子注通道上与所述电子注通道联通，所述输出段用于输出所述增强电子注包含的高频电磁信号能量。

技术领域

本公开涉及高频互作用电路技术领域，尤其涉及一种高频互作用电路及制备方法。

背景技术

毫米波-亚毫米波(MM/sub-MM waves)因分辨率高、信息容量大、能量密度高、抗干扰能力强等优点，在通信、探测、导航和成像等领域发挥着重要作用。近二十年来，随着毫米波-亚毫米波信号处理技术的日趋成熟，人们对工作在30GHz-300GHz频段的大功率电磁源的需求越来越大。速调管作为一种高功率微波器件，具有增益大、功率高、频谱纯度高等优点，在通信、雷达和高能加速器方面得到了广泛的应用，在投入使用的各种地面、空中和航天平台上，Ka波段(26.5GHz-40GHz)速调管占有很大的比例。

随着波长缩短，Ka波段速调管研制面临着部件几何尺寸缩小、高频损耗增加、热耗散平衡困难、功率容量下降、间隙打火增加、元件加工困难等技术问题，国际上对Ka波段速调管的研制多数集中在几kW以下的脉冲或连续波器件，目前见报道研制成功的Ka波段扩展互作用速调管(EIK)最大峰值功率输出在20kW左右。近年来，相关气象雷达、材料处理、深空探测、微波武器系统和计量技术对Ka波段速调管100kW及更高输出功率电平提出了新的需求，Ka波段速调管各个部件的研制都由此面临新的挑战。

速调管通常由电子枪、聚焦系统、高频互作用电路、输能装置、收集极以及钛泵等部件组成。其中，高频互作用电路由多个谐振腔组成的群聚段和输出段构成，其作用是对电子注进行调制和群聚，使电子注与高频场在轴向同步作用，实现高频信号的放大，其特性对速调管的功率、效率、增益和带宽等性能具有决定性影响。大功率速调管高频腔的设计通常采用带漂移头的单间隙重入式谐振腔，这种结构具有很高的特性阻抗，能够增强与电子注的耦合，功率容量和效率都很可观。

然而随着速调管峰值功率的进一步提升，器件需承受的电压升高、电流增大，同时由于尺寸共度效应，工作频率的提高将致使高频电路结构尺寸变小，这种情况下靠近输出端的群聚腔及输出腔的间隙电压可能超过单间隙重入式谐振腔的高频击穿电压，特别是输出腔更为严重，有可能使用双间隙都会发生打火，功率容量严重受限。为克服上述问题，近年来研究人员开展了广泛的研究，如在Ka波段采用扩展互作用电路来增大腔体尺寸、提高特性阻抗、提升整体功率容量等。不过，目前Ka波段分布作用速调管(EIK)通常采用多间隙休斯型耦合腔结构，其优势更多地体现在几百瓦～数千瓦量级输出功率下的带宽指标，而这种EIK耦合腔受工作机理限制，电子注是与负一次空间谐波相互作用，工作电压的提升受到一定限制，其峰值功率最高只能在几十千瓦量级。另一方面，应用于高能粒子加速器的高功率(HPM)速调管，通过合理设计单间隙重入式谐振腔群聚段、多周期行波输出电路(如盘荷波导等)等方式，能够克服输出腔、输出窗的高频击穿等障碍，在L、S、C和X等波段内获得数十乃至上百MW峰值功率输出。不过，上述技术手段多应用实现于分米波段和厘米波段，在毫米波-亚毫米波段尚未见实验报道。

在实现本发明的过程中，申请人发现上述现有技术存在如下技术缺陷：

随着Ka波段速调管输出功率的进一步提升，目前常采用的多间隙休斯型耦合腔受工作机理限制，其耦合阻抗相对较小，特别是群聚段腔体的注波互作用有效程度偏低，难以为输出腔提供与高频场充分耦合的优质电子注，不太适应100kW功率量级要求。