一種微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用方法及系統的製作方法
2023-08-02 06:08:01
專利名稱：一種微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於物理電子學領域，是涉及一種基於微帶電路的反常多普 勒電子迴旋脈塞互作用電路。
背景技術：
二十世紀五十年代後期，電子迴旋脈塞(Electron Cyclotron Resonance Maser， CRM)不穩定性先後被Twiss， Schneider禾P Gapanov獨立地提 出。之後，基於電子迴旋脈塞互作用的高能微波源在理論和實驗上都得 到深入的研究，這些高能微波源在當今的雷達通訊、定向能武器、高梯 度加速器等方面得到廣泛地應用。
電子迴旋脈塞進一步可以分為正常都卜勒電子迴旋脈塞和反常多普 勒電子迴旋脈塞。正常都卜勒電子迴旋脈塞採用螺旋前進的電子注與電 磁模式的橫向電場發生互作用，基於相對論效應，產生相位群聚，釋放 高能微波能量。基於該原理的器件，需要複雜的電子光學系統，且器件 對電子注速度零散十分敏感。
基於反常多普電子迴旋脈塞原理的電子器件，可以採用直線電子注 與電磁模式互作用，可以大大簡化電子光學系統，更容易設計出具有高 度均一性的電子注，這有助於提高互作用系統的效率。基於該原理的微 波源在亞毫米波和太赫茲頻段具有重要的應用潛力。
發明內容
為了解決現有技術的問題，本發明的目的是公開一種基於微帶電路 的反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用方法及系統。
為了實現上述目的，本發明第一方面，提供一種微帶反常都卜勒電 子迴旋脈塞互作用方法，包括步驟如下
步驟1:將微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統處於真空中;
步驟2:通過多級微帶線，提供互作用所需的慢電磁波； 步驟3:直線電子注注入多級微帶線上表面的互作用空間，與多級微 帶線上的慢電磁波發生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用；
步驟4:通過多級微帶線，改變互作用過程中電磁波的相速度，使得
反常都卜勒電子迴旋脈塞持續有效地進行，直線電子注在互作用過程中 逐漸旋轉起來，並將能量高效地轉化成為微波的能量。
為了實現上述目的，本發明第二方面，提供一種微帶反常都卜勒電子
迴旋脈塞互作用系統，包括 具有--金屬底板；
具有一介質基片，介質基片位於金屬底板上； 具有一多級微帶線，多級微帶線位於介質基片上； 具有一直線電子注，直線電子注靠近多級微帶線上表面； 直線電子注注入多級微帶線上表面，直線電子注與多級微帶線上傳 輸的慢電磁波發生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用。
本發明的有益效果本發明提出的互作用系統在真空條件下，採用 直線電子注注入多級微帶線上表面的互作用空間；在背景磁場的作用下， 電子注多級微帶線上傳輸的慢電磁波發生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作 用，在互作用過程中，直線前進的電子注逐漸旋轉起來；多級微帶線使 得電子注互作用過程中遇到的微波相速度依次減小，保證注波相位始終 同步，互作用持續有效進行，最終電子注將動能高效率地轉化成為微波 的能量。本發明大大簡化常規的基於電子迴旋脈塞器件的複雜的互作用 系統和電子光學系統，提高互作用效率，促進器件的實用化。在互作用 磁場的作用下，電子注和慢電磁波發生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用， 激發起微波。該發明具有結構簡單，互作用效率高，在亞毫米波、太赫 茲頻率範圍了，是極具發展潛力的微波源。
圖1微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統結構示意圖； 圖2微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用效率示意具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明加以詳細說明，應指出的是，所描述的實施 例僅在便於對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
為了更加清楚地闡述本發明，以下首先從理論模型的角度闡述本發 明的實施方法。首先說明常規的反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統的 特性，然後提出實施方法，並詳細闡述。
反常都卜勒電子迴旋脈塞的理論模型如下常規的反常都卜勒電子 迴旋脈塞的互作用系統處於真空中，且有背景磁場盡。假設互作用系統 填充介質，使得其中傳輸的電磁波為慢波平面電磁波。假設互作用系統 軸向開孔，形成直線電子注通道，直線電子注注入該通道，且不改變慢 平面電磁波的傳輸特性。
基於該理論模型，我們建立了一套自洽非線性理論，較為準確地估 計理論模型中的反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用過程。
在上述理論模型中，與電子發生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用的 平面電磁波的極化方向與電子的橫向旋轉方向相反。電子滿足基本的運 動方程
formula see original document page 5(1)
^ 戸^
其中，電子速度^可以分解為縱向速度^和橫向速度、，i^、+^， /為 電子相對論因子，e為電子電荷，氣為電子靜止質量，^和5分別為電磁 波的電場和磁場。這樣的互作用過程可以分為兩個主要的階段
階段一，&>^。 ^是電磁波的相速度^-c/n，其中c是自由空間光 速，"是電磁波傳播媒質的介電常數。在此階段圓偏振波作用於電子的橫 向作用力&為
formula see original document page 5
(2)
五是電磁波的電場強度；當電子的初始速度大於電磁波的相速度，橫向作 用力^將使得電子沿電場方向加速，電子出現橫向速度^，橫向速度^的 出現使得電子將受到一個縱向作用力formula see original document page 5(3)
該縱向作用力FZ沿電子運動的Z軸方向減速。電子在橫向作用力Z和縱 向作用力FL作用下，Z軸方向的動量減小，且橫向動量增加，整體體現為 交出能量。
階段二，vz<vph 。在階段一中，電子的Z軸方向的速度持續減小，當 VZ<VPH以後，進入第二階段。在第二階段電子受到的橫向作用力與電子的 橫向運動方向相反，橫向也受到減速。由此，電子在橫向和Z軸方向都同 時減速，更加有效地交出能量，放大微波。
在第二階段中，電子的橫向速度v—±與電場的5的夾角φ始終小於π/2。 在互作用過程中φ持續增大，當φ＞π/2時，第二階段結束，即電子釋放能 量結束。也就是說電子的橫向速度vl與電場的E的夾角φ始為π/2時，電 子釋放的能量最多，對應於最大的互作用效率。
為了將這種理論模型轉化成為簡單可行的實際器件，本發明提出了 一種微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用方法。本發明的基本思想就是， 將微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統處於真空中；通過多級微帶 線3，提供互作用所需的慢電磁波，且是準平面電磁波；直線電子注4注 入多級微帶線3上表面的互作用空間，與多級微帶線3上的慢電磁波發 生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用；通過多級微帶線3，改變互作用過程 中電磁波的相速度，使得互作用過程中，注波相位始終同步，反常多普 勒電子迴旋脈塞互作用能持續有效地進行；直線電子注4在互作用過程 中逐漸旋轉起來，並將能量高效地轉化成為微波的能量。
整個互作用系統處於真空中，互作用同步條件方程
w-kzvz+sΩc=0 (4) 其中，w是電磁波的角頻率，KZ是電磁波沿電子注軸向的波數，vz是直線 電子注的軸向速度，Ωc是電子在背景靜磁場下的迴旋頻率，s是互作用諧 波數。
本發明的實施例如圖1所示，微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用 系統包括金屬底板1、介質基片2、多級微帶線3、直線電子注4、互 作用磁場S。，在金屬底板1上有介質基片2，在介質基片2上有多級微帶 線3，直線電子注4靠近多級微帶線3上表面；直線電子注4注入多級微 帶線3上表面的互作用空間，與多級微帶線3上傳輸的慢電磁波發生反
常都卜勒電子迴旋脈塞互作用，直線電子注4在互作用過程中逐漸旋轉 起來，並將能量高效地轉化成為微波的能量。
該互作用系統在真空條件下，採用直線電子注4注入多級微帶線3 上表面的互作用空間；多級微帶線3由一級微帶線3a、 二級微帶線3b和 三級微帶線3c構成， 一級微帶線3a、 二級微帶線3b及三級微帶線3c串 聯排列於介質基片2上。 一級微帶線3a、 二級微帶線3b和三級微帶線3c 的寬度依次增加，使得多級微帶線3上傳輸的慢電磁波的相速度依次減 小，直線電子注4在互作用過程中逐漸旋轉起來，且不斷地將動能轉化 成為微波的能量，在此過程中，多級微帶線3上傳輸的慢電磁波能夠始 終維持與直線電子注4的相位同步，反常都卜勒電子迴旋脈塞能夠持續 有效進行，最終直線電子注4將動能高效率地轉化成為微波的能量。通 過多級微帶線3，保持直線電子注4與電磁波的反常都卜勒電子迴旋脈塞 互作用過程中的相位同步條件，維持有效互作用持續進行，提高注波互 作用效率。
由於基於本發明提出的這種基於微帶線的反常都卜勒電子迴旋脈塞
的注波耦合比較弱，所以一般都採用基波工作，即互作用系統工作在一 次諧波條件下，方程(4)中的s取1，這說明互作用系統所需的磁場隨 系統的工作頻率升高而增加。在現有技術條件下，本發明提出的方案在 1GHz 1THz的範圍內物理上都是可以實現的，因此本發明的具體實施例 選用中間頻率W波段大氣窗口 95GHz而進行設計。
本實施例的工作頻率為95GHz。介質基片2採用氧化鈹(BeO)，其 相對介電常數為6.8，厚度為2mm。直線電子注4在多級微帶線3表面的 互作用空間與微帶線上的慢電磁波發生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作 用。 一級微帶線3a、 二級微帶線3b、三級微帶線3c的寬度分別為10mm、 18mm、 30mm。
根據微帶線3的等效介電常數^公式，
complex formula see original document page 7 (5)
其中，^為介質基片2的介電常數，J為介質基片2的厚度，『為多級微 帶線3的寬度。因此多級微帶線3的等效相對介電常數^分別為5.37、5.8、6.2。
互作用系統採用10kV直線電子注4，電流100mA，互作用磁場S。根 據公式，
計算得到，^是直線電子注4的軸向速度；^是一級微帶線3a表面的電 磁波軸波數。本實施例中，互作用磁場S。選用2.896T。 一級微帶線3a、 二級微帶線3b作用系統效率為優化目標而確定。根據我們建立的單粒子 自洽非線性理、三級微帶線3c各自的長度不同，各自的長度依據最大化 互論，以最大互作用效率為優化目標，經過優化後一級微帶線3a、 二級 微帶線3b、三級微帶線3c的長度分別是35.2mm、 10.2mm、 13.3mm。該 系統的互作用效率如圖2所示，互作用效率約25.1%，即輸出功率約 251W。
多級微帶線3與常規的波導系統有著根本的區別多級微帶線3是 一種平面電路，可以採用印刷電路板工藝製作，整個工藝流程簡單成本 低廉；多級微帶線3是一種平面電路，結構緊湊。採用多級微帶線3作 為反常都卜勒電子迴旋脈塞的互作用電路具有以下優點階梯躍變的多 級微帶線3，每一級微帶線，即一級微帶線3a、 二級微帶線3b和三級微 帶線3c，都具有確定的寬度，可以很方便地進行理論優化設計和實驗調 試；多級微帶線3的寬度隨其級數依次增加，多級微帶線3上傳輸的電 磁波相速度依次減小，這使得直線電子注4經過每一級微帶線時都能夠 維持注波同步，保證互作用持續有效進行，獲得較高的互作用效率；整 個互作用系統結構簡單，成本低廉，且容易實現；由於互作用系統的平 面化，且結構較小，可以進行多互作用系統集成，增加整體的輸出功率。 選用BeO作為介質基片2，是因為互作用過程中，為了保證較強的注 波耦合強度，直線電子注4通常緊靠微帶線表面，互作用過程中，部分 電子不可避免地轟擊微帶線，產生熱損耗，此時，BeO介質基片2可以 發揮其優良的導熱能力，及時將熱量通過金屬底板1傳導出去，保證系 統在較低的溫度下工作。選用其他高介電常數的材料，可能獲得更高的 互作用效率，但是其導熱能力可能不及BeO。
本發明提出的互作用系統中，許多介質都可以作為介質基片2，如常
見的^203、陶瓷等。具體選擇何種材料作為介質基片2，視實際互作用系
統而確定，且介質材料的相對介電常數在10數量級上，介質材料的損耗 特性越低越好。介質基片2的厚度可以取值0.2mm 5mm範圍內都是可 行的，具體視實際的互作用系統的工作頻率和選用的介質材料而確定， 介質基片2厚度選擇某個恰當的厚度時，多級微帶線3上表面的波相對 較強，使得注波耦合較強。
以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並 不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可理 解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內，因此，本發 明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1、一種微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統，包括具有一金屬底板；具有一介質基片，介質基片位於金屬底板上；其特徵在於還包括具有一多級微帶線，多級微帶線位於介質基片上；具有一直線電子注，直線電子注靠近多級微帶線上表面；直線電子注注入多級微帶線上表面，直線電子注與多級微帶線上傳輸的慢電磁波發生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用。
2、 根據權利要求1所述微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統， 其特徵在於，其中多級微帶線具有一級微帶線、二級微帶線和三級微帶 線； 一級微帶線、二級微帶線及三級微帶線串聯排列於介質基片上。
3、 根據權利要求1所述微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統， 其特徵在於，其中一級微帶線、二級微帶線、三級微帶線依次變寬，使 各級微帶線上傳輸的慢電磁波的相速度依次減小。
4、 根據權利要求1所述微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統， 其特徵在於，其中一級微帶線、二級微帶線、三級微帶線各自的長度不 同，各自的長度依據最大化互作用系統效率為優化目標而確定。
5、 根據權利要求1所述微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統， 其特徵在於，其中介質基片選用BeO。
6、 一種微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用方法，其特徵在於，包 括步驟如下步驟h將微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用系統處於真空中；步驟2:通過多級微帶線，提供互作用所需的慢電磁波；步驟3:直線電子注注入多級微帶線上表面的互作用空間，與多級微帶線上的慢電磁波發生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用；步驟4:通過多級微帶線，改變互作用過程中電磁波的相速度，使得反常都卜勒電子迴旋脈塞持續有效地進行，直線電子注在互作用過程中逐漸旋轉起來，並將能量高效地轉化成為微波的能量。
全文摘要
本發明一種微帶反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用方法及系統，該互作用系統處於真空中，使用金屬底板、介質基片、多級微帶線、直線電子注；多級微帶線上傳輸慢電磁波，直線電子注注入多級微帶線上表面的互作用空間，在互作用磁場的作用下，直線電子注和慢電磁波發生反常都卜勒電子迴旋脈塞互作用，激發起微波。該發明具有結構簡單，互作用效率高，在亞毫米波、太赫茲頻率範圍，是極具發展潛力的微波源。
文檔編號H01P3/08GK101345387SQ20081011897
公開日2009年1月14日 申請日期2008年8月27日 優先權日2008年8月27日
發明者劉濮鯤, 杜朝海 申請人:中國科學院電子學研究所