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(guó)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(cè)、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(lèi)振蕩器利用準(zhǔn)光學(xué)開(kāi)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(chǎng)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(lèi)器件有效解決了因“波長(zhǎng)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(guò)調(diào)整雙梳型件慢波系統(tǒng)與開(kāi)放式諧振系統(tǒng)的諧振場(chǎng)使其頻率匹配，實(shí)現(xiàn)在繞射輻射振蕩器中諧振場(chǎng)幅值的最大化。測(cè)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(kāi)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(guò)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(chǎng)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(kāi)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(chǎng)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(kāi)放腔本征場(chǎng)某一模式的頻率振蕩,被腔體上下鏡反饋的高頻場(chǎng)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(kāi)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(guò)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(kāi)放式諧振腔，TEMmnq振蕩模式的球面間距D與振蕩波長(zhǎng)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(chǎng)Ey分量分布情況如圖3所示。該數(shù)據(jù)是通過(guò)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(kāi)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(chǎng)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(méi)有矩形槽的開(kāi)口腔中諧振場(chǎng)的高斯分布相符合，即矩形槽子的存在沒(méi)有破壞鏡面之間的空間中諧振場(chǎng)的分布。矩形槽子中的電場(chǎng)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(kāi)放式諧振系統(tǒng)的TEM006諧振場(chǎng)Ey分布情況

通過(guò)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(zhǎng)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(chǎng)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(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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(cè)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(kāi)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(cè)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(chǎng)的散逸會(huì)引起繞射損耗上升，使得開(kāi)放式諧振系統(tǒng)的Q值降低。因此，無(wú)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(méi)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(kāi)放式諧振腔，雙梳形光柵作為慢波結(jié)構(gòu)。通過(guò)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(chǎng)分布，該高頻系統(tǒng)被成功應(yīng)用于繞射輻射振蕩器中。測(cè)試表明：研制的振蕩器開(kāi)放式諧振腔是一個(gè)多模式工作腔，通過(guò)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(méi)有任何雜峰，具有較高信噪比和優(yōu)良的頻譜特性。