太赫兹波的产生.pdf

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1、2.2基于电子学的太赫兹辐射源基于电子学的太赫兹辐射源包括微型真空电子器件、相对论性电子器件、半导体激光器等。2.2.1真空电子器件采用先进的微细加工技术，如LIGA技术（LIGA是采用X射线刻蚀和电铸相结合的技术）、MEMS（微电子机械系统）加工技术等，将固态加工技术引入到真空电子技术领域之中，可以制造出能作为太赫兹辐射源的微型真空电子器件（μVED）。这些器件克服了普通三、四极管的渡越时间效应，而且如果利用微波管分布作用原理，就可使微波管的工作频率达到太赫兹频段，成为一种非常具有应用前景的太赫兹辐射源。这类太赫兹辐射源有

2、纳米行波管及其阵列、返波振荡器、纳米速调管及其阵列、回旋管、自由电子激光器、相对电子注或等离子体电子器件等（见图2-11），具有噪声低、增益高、效率高、体积小、重量轻、性能稳定等特点。但是，它们在某些方面也存在着一些问题，如射频窗口、波导元件、磁聚焦问题、阴极和电子枪及器件的装配等，而这些问题又直接限制了微型真空电子器件的性能指标。目前，在太赫兹频段对于微型真空电子器件的研究还处于研究阶段，它将是一种非常具有应用前景的太赫兹真空辐射源。图2-11真空电子学太赫兹源的功率与频率1.行波管行波管（TravelingWaveTub

3、e，TWT）是一种基于电子注与行波场之间相互作用的行波型器件，其优点是：频带宽，增益大，寿命长，工作稳定可靠。行波的种类很多，根据外加磁场的形成可以将其分为具有纵向（沿电子流方向）磁场的“O”型行波管和具有横向磁场的“M”型行波管。行波管是唯一能将大功率与宽频带等微波管所具有的优点有效结合的微波管器件。而在这里仅介绍“O”型行波管。图2-12行波管结构原理图行波管是利用电子流与沿慢波系统行进的电磁波间的连续互相作用而放大超高频（微波）电磁波的一种微波电子管。它的一种典型结构如图2-12所示，主要有以下几个部分组成：1)电子枪

4、，包括阴极、加速极；2)微波结构，包括慢波系统、输入、输出的微波结构；3)收集极；4)聚焦磁场。其中，电子枪的作用是形成符合设计要求的电子注，聚焦系统可使电子注保持所需形状，保证电子注能够顺利得穿过慢波电路并与微波场发生有效的相互作用，最后由收集极接收电子注。如果行波管的电磁波行进方向与电子流方向相反的话，我们称之为返波管，即返波振荡器。行波管的工作原理是：在行波管中，电子注与慢波电路中的微波场发生相互作用。微波场沿着慢波电路向前行进。为了使电子注同微波场产生有效的相互作用，电子的直流运动速度应比沿慢波电路行进的微波场的位相

5、传播速度(相速)略高，称为同步条件。输入的微波信号在慢波电路建立起微弱的电磁场。电子注进入慢波电路相互作用区域以后，首先受到微波场的速度调制。电子在继续向前运动时逐渐形成密度调制。大部分电子群聚于减速场中，而且电子在减速场滞留时间比较长。因此，电子注动能有一部分转化为微波场的能量，从而使微波信号得到放大。在同步条件下，电子注与行进的微波场的这种相互作用沿着整个慢波电路连续进行。这是行波管与速调管在原理上的根本区别。2.返波振荡器行波管的变体就是返波振荡器（BackwardWaveOscillator，BWO），俗称返波管。它

6、是一种利用电子注与慢波线中的返波相互作用产生振荡的微波电子管，而且目前只有返波振荡器在0.1THz以上具有宽带调谐和大功率输出的能力。在周期性慢波系统中，周期性变化的场可以分解成无数空间谐波，其中群速与相速同向的波称为前向波；反之则称为返波。当电子注速度与前向波相速同步时，由于注波间的相互作用将会使前向行进波得到放大；而当电子注速度与返波相速同步时，则注波间的相互作用又会使返波得到增强。由于返波管中群速与相速方向相反，并且电子注速度与波的相速同步，因此电子注的速度方向与波的相速度方向相同，而与群速（或能速）的传输方向相反。这

7、样，在管内就自然地存在着一种能量的反馈通道，一方面载有交变信号能量的电子注向前运动，并与慢波线上的返波相互作用，将部分能量交给线路上的高频场，另一方面线路上的高频能量又逆电子注方向传输形成反馈回路。当每一个反馈回路的总相移都是2π的整数倍时，具有正反馈的性质。因为这种反馈是通过电子注把交变信号能量由输出端带回输入端的，所以是一种电子反馈。利用这种电子反馈，可以得到再生放大。由此可以形成制返波放大管。如果反馈量足够大就可产生自激振荡做成返波振荡管。返波管的主要优点是在很宽的频率范围内能够实现连续的快速电调。由图2-13可知：B

8、WO内部存在着强磁场、热阴极、阳极、梳形减速结构，以及耦合波导等。首先，电子由热阴极发射出来（a图）。为了避免电子撞击在管壁上损失能量，需要将其聚焦。而电子在强磁场的作用下受洛伦兹力作用而聚焦（b图）。聚焦后的电子经过梳型减速结构后速度下降，最后到达阳极（c图）。由于电子速度发生了改变，所