W波段绕射辐射振荡器技术的研究

席洪柱,李 荣，贺兆昌，刘劲松

(1.安徽华东光电技术研究所，安徽 芜湖 241002；2.太赫兹器件研究与应用国际联合研究中心，安徽 芜湖 241002)

毫米波和亚毫米波技术[1-4]在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带通信、雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。在世界范围内，对该频段电磁波产生和应用的研究方兴未艾，尤其是对高功率毫米波和亚毫米波辐射源的研制逐渐成为科研热点。绕射辐射振荡器是基于Smith-Purcell效应[5]研制的一种非常有应用前景的毫米波和亚毫米波电磁辐射源，也被称为Smith-Purcell效应自由电子激光。该类振荡器利用准光学开放式谐振腔和周期性绕射光栅组成高频互作用系统，实现了周期性结构场与电子束的分布互作用，有利于高频系统中大容量电磁波进行能量交换。相对于传统封闭式谐振腔振荡器，该类器件有效解决了因“波长共度”效应导致的零件加工精度高、热传导难和振荡频谱密度高等难题[6]。研制的绕射辐射振荡器在前期理论研究的基础上[7]，采用双梳型光栅作为慢波系统以提高器件的波-注互作用效率，通过调整双梳型件慢波系统与开放式谐振系统的谐振场使其频率匹配，实现在绕射辐射振荡器中谐振场幅值的最大化。测试表明：研制的绕射辐射振荡器输出功率高、频谱特性优良、谱线宽度窄、频率稳定性高，具有机械调谐和电子调谐特性,因而有很宽的复合调谐频带。这种器件是产生短毫米波和亚毫米波相干振荡的一种新型功率源。

1 器件设计

研制的绕射辐射振荡器高频系统开放式谐振腔(由球镜面和平面镜组成)和双梳型光栅构成如图1所示。双梳形件位于平面镜的中心处，且与其表面对齐。具有一定速度的电子注沿着双光栅形成的电子注通道δ×b中的光栅表面通过时，电子注与光栅结构相互作用产生Smith-Purcell绕射辐射波。当电子注的速度v0与特定分布于光栅表面附近的电磁波相速Vph同步时(v0≌Vph)，电子注将会与电磁波发生互作用并产生群聚，从而与谐振腔内的高频场进行有效的能量交换，具体色散关系如式(1)所示。

(1)

图1 绕射辐射振荡器高频系统示意图 图2 高频慢波系统的色散曲线

振荡器采用的准光学开放腔反馈电子注与光栅结构作用产生的绕射辐射波，在谐振腔中激励生成TEMmnq型振荡，其中m和n表示腔内沿着轴OX、OY谐振场的横模特征值，q表示沿着轴OZ的纵模特征值，均为正整数。根据腔体谐振条件,选择准光学开放腔本征场某一模式的频率振荡,被腔体上下镜反馈的高频场对电子注进行调制,被调制后的电子注又在光栅上激励起更强的辐射，如此往复，直到高频电动力学系统中建立起稳定的相干振荡。高频能量由球面镜中部的耦合波导输出。文中研制的振荡器除了可以改变电子注的速度,使电子注与不同相速的谐波同步,实现器件的电子调谐外，还可以改变上下镜的距离使开放腔建立相应频率的本征振荡而进行机械调谐。通过这两种方式进行复合调谐,实现较宽频带的高频振荡。对于半球型开放式谐振腔，TEMmnq振荡模式的球面间距D与振荡波长的关系曲线可以根据式(2)近似计算：

(2)

研制的绕射辐射振荡器高频系统在TEM006模上谐振场Ey分量分布情况如图3所示。该数据是通过对器件高频系统模拟仿真得到的，在这个二维模型中平面镜中心处的矩形槽是为了模拟开放式谐振系统中的双梳形件形成的谐振槽。可以发现在该振荡模式下，当矩形槽子中存在谐振场的一个纵模变化时，镜面之间的Ey分量分布与平面镜中没有矩形槽的开口腔中谐振场的高斯分布相符合，即矩形槽子的存在没有破坏镜面之间的空间中谐振场的分布。矩形槽子中的电场强度最强，这非常有利于带状电子注与光栅表面谐波的相互作用。

图3 开放式谐振系统的TEM006谐振场Ey分布情况

通过理论计算和仿真模拟，最终确定的器件高频系统参数如下：球形镜面曲率半径Rsph=110 mm，双梳形件高度b=4.0 mm，梳形件的周期L=0.4 mm，梳形件槽子的宽度d=0.15 mm；电子注通道宽度δ=0.15 mm；周期性结构槽子的切割长度d=0.15 mm，槽子深度为h=0.81 mm，该光栅件采用慢走丝工艺制备。

研制的绕射辐射振荡器采用安徽华东光电技术研究所研制的带状注电子光学系统[8-10]。该电子光学系统在磁场强度0.6 T，工作电压5 kV时，电子束电流可达200 mA,完全满足本器件的需求。

2 测试结果与分析

在完成绕射辐射振荡器冷却系统、高压供电系统、排气系统和能量耦合输出系统的设计和研制后，通过真空焊、氩弧焊等工艺对绕射辐射振荡器进行了整管组装，并通过高真空排气台使绕射辐射振荡器的管内真空度达到1×10-5Pa以上，以利于器件工作时真空度优于5×10-5Pa。最终制备的绕射辐射振荡器如图4所示。

对绕射辐射振荡器的测试是在连续波工作模式下进行的。绕射辐射振荡器激励输出信号与镜面调谐距离D的关系如图5所示。实点是实测数据，实线是根据式(2)计算的理论值。由图5可知，振荡器除了在开放式谐振系统基模TEM00q上振荡外，还存在更高模式振荡(如TEM20q、TEM40q等)。绕射辐射振荡器在TEM003模上工作时调频范围最大，从91.6 GHz到98.6 GHz，这可能是因为在该模式下双梳形件上承载的绕射损耗水平最低，有利于器件在该模式下获得较大的调谐范围。器件实测的调谐范围与理论设计值相比有些降低，产生该现象的原因或许是实际零件加工表面粗糙度达不到理论值的要求，而且器件装配过程中会有一定的尺寸误差，这些都会导致器件实际的欧姆损耗和绕射辐射损耗增加，降低了器件的频率调谐范围。

图4 研制的绕射辐射振荡器 图5 绕射辐射振荡器的机械调谐情况

绕射辐射振荡器从TEM003到TEM008模式上调谐时所需启振电流和输出功率情况如图6所示。图6给出的绕射辐射振荡器输出功率对应的阴极工作电流Ia为70 mA。由图6可知，当振荡频率在93.5～95.2 GHz之间时，器件所需启振电流较小，范围为35 mA到45 mA。振荡器每一个振荡模式上的最大输出功率也都集中在该频段，例如在TEM008模式下，器件在94.6 GHz附近最大输出功率约为2.0 W。该现象产生的原因或许是研制的开放式谐振系统在93.5 GHz到95.2 GHz频带内具有相对较高的Q值，如图3所示，当光栅槽内恰好有一个纵向模式时，对应的Q值近似等于光滑镜面开口腔中的欧姆Q值。但当振荡器的振荡频点偏离该频段时，光栅构成矩形槽子上谐振场的散逸会引起绕射损耗上升，使得开放式谐振系统的Q值降低。因此，无论在该频段以外的高频区域还是低频区域，绕射辐射振荡器都需要相对较高的启振电流，器件的输出功率也会相对降低。

图6 绕射辐射振荡器在不同模上调谐时的输出功率和启振电流值

绕射辐射振荡器在TEM007模式下电子调谐时电子加速电压和输出频率的关系曲线如图7所示。由图7可以看出，振荡器的输出频率与电子加速电压在4.1 kV到4.4 kV范围内近似成线性关系，斜率约为0.7 MHz/V。绕射辐射振荡器工作在TEM007模式上频率为94.72 GHz时的输出功率与阴极电流关系曲线如图8所示。由图8可知，振荡器的输出功率随着阴极电流的增加而增加。当阴极电流为140 mA时，输出功率可达8 W。图8中的插入图是研制绕射辐射振荡器的输出频谱图，可以发现振荡器的输出频率除主峰94.7 GHz外，没有杂峰，表明振荡器的输出频谱纯度非常高。该振荡器的寿命约为1 000小时。

图7 振荡器输出频率与电子加速电压关系 图8 振荡器输出功率与阴极电流关系及频谱

3 结论

研制的绕射辐射振荡器高频系统采用球面镜和平面镜作为开放式谐振腔，双梳形光栅作为慢波结构。通过该振荡器高频系统结构参数的优化，使其具有良好的色散特性和谐振场分布，该高频系统被成功应用于绕射辐射振荡器中。测试表明：研制的振荡器开放式谐振腔是一个多模式工作腔，通过机械调谐可以使其工作在不同的TEMmnq模式下，调谐范围从91.6 GHz到98.6 GHz。器件在中心频段93.5 GHz到95.2 GHz之间拥有相对较小的启振电流和相对较大的输出功率。电子调谐时，振荡器的输出频率随电子加速电压的增加而增加。振荡器的输出功率随阴极发射电流的增加而增加。该绕射辐射振荡器在连续波模式下输出功率可达8 W以上。振荡器的输出频谱除主峰外，没有任何杂峰，具有较高信噪比和优良的频谱特性。