专利摘要

本发明公开了一种太赫兹行波管超宽带准光输出系统及其制备方法。本发明采用高斯喇叭将波导模式转换为高斯模式，实现远距离的低损耗传输以及与自由空间的高效率耦合；采用布儒斯特输出窗克服了传统盒型输出窗带宽低的特点，既实现了真空密封，又保证了宽带输出；本发明摒弃了传统的系统器件加工方式，一体加工成型，极大地降低了因法兰连接缝隙和焊接带来的结构凹凸不平而造成的传输损耗；本发明采用加工载台面的方式，并在载台面上加工窗片的凹槽，焊接时窗片受力均匀，极大的降低了窗片受力开裂的可能性，减少了因窗片受力形变而造成的传输损耗；本发明能够实现电磁波在太赫兹波段的超宽带输出，且具有良好的真空密封性能。

权利要求

1.一种太赫兹行波管超宽带准光输出系统，其特征在于，所述输出系统包括：基板、弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗；其中，两块基板分别具有平整干净的表面，作为加工面，在两块基板的加工面上分别加工有形状对称的半结构凹槽；在半结构凹槽的表面形成波导材料，两块基板的凹槽结构相对键合在一起，从而两块基板的波导材料构成完整一体的波导腔；所述波导腔包括弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗的圆波导部分，在弯曲标准矩形波导的末端连接矩圆模式转换器的矩形波导端口，所述矩圆模式转换器的圆波导端口连接高斯喇叭的馈入端口；所述高斯喇叭的输出端口与布儒斯特输出窗圆波导部分相连；所述布儒斯特输出窗的圆波导部分表面的平面法线与圆波导部分的轴线成布儒斯特角，形成布儒斯特窗片的载台面，在载台面上安装布儒斯特窗片，形成布儒斯特输出窗；所述弯曲标准矩形波导的中平面、矩圆模式转换器的中平面、高斯喇叭的中轴线和布儒斯特输出窗的中轴线均在同一平面内，并且矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗共轴；从行波管慢波结构输出的电磁波经弯曲标准矩形波导传输至矩圆模式转换器；矩圆模式转换器将矩形模式转换为圆波导模式，并实现宽带的转换；高斯喇叭将圆波导转换为圆波导中的高斯模式，在波导腔中实现低损耗传播；儒斯特输出窗实现真空密封，并且高斯模式经布儒斯特输出窗宽带输出至自由空间传播。

2.如权利要求1所述的输出系统，其特征在于，所述基板的材料采用无氧铜板、钼板、硅板、铝板和不锈钢板中的一种。

3.如权利要求1所述的输出系统，其特征在于，所述波导材料采用金、银和镍中的一种。

4.如权利要求1所述的输出系统，其特征在于，所述弯弯曲标准矩形波导的长边为0.55～0.95λ，短边长为0.27～0.48λ，其中λ为设计工作的中心波长。

5.如权利要求1所述的输出系统，其特征在于，所述矩圆模式转换器的设计参数包括矩形波导段的长边a和短边b，圆波导段半径R，矩圆模式转换器轴的过渡段的长度L₀，过渡段张角α以及圆波导段长度d；基于模式匹配原理，通过改变过渡段张角对矩圆模式转换器进行优化，得到最宽带的输出，确定α的值。

6.如权利要求1所述的输出系统，其特征在于，所述高斯喇叭的输出端口的直径为4～10λ，其中λ为设计工作的中心波长。

7.如权利要求1所述的输出系统，其特征在于，所述布儒斯特窗片的材料采用金刚石、陶瓷和蓝宝石中的一种。

8.一种如权利要求1所述的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的制备方法，其特征在于，所述：

1)提供两块基板；

2)分别将两块基板中的一面加工平整，作为加工面；

3)分别将两块基板的加工面进行预处理，使得加工面平整干净；

4)分别在两块基板的加工面上形成形状对称的半结构凹槽，半结构凹槽的形状为以中平面划分的弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗的圆波导部分的一半；

5)分别在两块基板的半结构凹槽的表面形成波导材料；

6)将两块基板的加工面相对，并紧固在一起；

7)高温下将两块基板键合在一起，从而两块基板的波导材料构成完整一体的波导腔，波导腔包括连接一体的弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗的圆波导部分；

8)确定布儒斯特输出窗的圆波导部分的位置，在圆波导部分的表面加工出平面法线与圆波导部分的轴线为布儒斯特角，形成布儒斯特窗片的载台面；

9)在载台面上加工出圆形凹槽，深度大于布儒斯特窗片；

10)将布儒斯特窗片焊接在圆形凹槽上，形成布儒斯特输出窗。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，波导材料采用金、银和镍中的一种，厚度为5～10μm。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤7)中，高温键合的温度为390～430℃，时间为3.5～4.5小时。

说明书

技术领域

本发明涉及超宽带真空电子器件领域，具体涉及一种太赫兹行波管超宽带准光输出系统及其制备方法。

背景技术

太赫兹波是处于微波与光波之间的一段未被深入研究的电磁波段，其震荡频率在0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)之间，由于太赫兹波具有非离化性、高穿透性以及高分辨率的特性，使其在核聚变科学、人体检测、生物成像、雷达探测以及无线通信领域有极大的应用潜力。其中太赫兹通信可以提供高达10Gb/s以上的传输速率，使其成为太赫兹科学技术极为重要的应用领域和研究方向之一。超高速的太赫兹无线通信需要高性能功能器件的支持，虽然国内外对太赫兹波功能器件的研究已经逐渐展开，但太赫兹功能器件作为太赫兹科学技术领域的重点难点和关键点，相对于太赫兹波的产生和检测等相关领域的飞速发展，仍需要投入大量的人力物力进行深入的研究。

行波管是一种利用连续调制电子注同处在慢波结构中的微波信号场相互作用，不断地将电子能量转换给微波信号场的真空电子器件，其主要的构成有：1)电子枪；2)磁电子束聚焦系统；3)慢波结构；4)收集极以及5)输入和输出系统。工作频率高、工作频带宽以及工作功率高的特点使其被广泛应用到大功率雷达和卫星通信上。影响行波管工作带宽的主要因素是慢波结构和输入、输出系统的结构，而行波管的工作带宽又直接决定了其工作性能，因此优化行波管的结构是必要的。

现阶段行波管输出系统的结构主要包括：与慢波结构输出端相连的弯曲标准矩形波导、金字塔型喇叭以及盒型输出窗；其中弯曲标准矩形波导、金字塔型喇叭、盒型窗依次相连。这种输出系统结构较为简单，易于加工，但缺点也很明显，盒型输出窗的相对带宽均较窄，难以使系统实现超宽带输出，且现阶段宽带输出是行波管重要的研究方向之一，因此设计一种行波管超宽带输出系统是必要的和迫切的。

发明内容

为了实现行波管输出系统的超宽带输出，特别是解决盒型窗对输出带宽的限制以及波导模式与自由空间模式之间的耦合问题，以及为了解决太赫兹器件结构尺寸小难以加工的问题，本发明提出了一种太赫兹行波管超宽带准光输出系统及其制备方法，为行波管输出领域甚至整个真空电子器件的输出领域提供了新的研究思路和研究方法。

本发明的一个目的在于提出一种太赫兹行波管超宽带准光输出系统。

本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统包括：基板、弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗；其中，两块基板分别具有平整干净的表面，作为加工面，在两块基板的加工面上分别加工有形状对称的半结构凹槽；在半结构凹槽的表面形成波导材料，两块基板的凹槽结构相对键合在一起，从而两块基板的波导材料构成完整一体的波导腔；波导腔包括弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗的圆波导部分，在弯曲标准矩形波导的末端连接矩圆模式转换器的矩形波导端口，矩圆模式转换器的圆波导端口连接高斯喇叭的馈入端口；高斯喇叭的输出端口与布儒斯特输出窗圆波导部分相连；布儒斯特输出窗的圆波导部分表面的平面法线与圆波导部分的轴线成布儒斯特角，形成布儒斯特窗片的载台面，在载台面上安装布儒斯特窗片，形成布儒斯特输出窗；弯曲标准矩形波导的中平面、矩圆模式转换器的中平面、高斯喇叭的中轴线和布儒斯特输出窗的中轴线均在同一平面内，并且矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗共轴；从行波管慢波结构输出的电磁波经弯曲标准矩形波导传输至矩圆模式转换器；矩圆模式转换器将矩形模式转换为圆波导模式，并实现宽带的转换；高斯喇叭将圆波导转换为圆波导中的高斯模式，在波导腔中实现低损耗传播；儒斯特输出窗实现真空密封，并且高斯模式经布儒斯特输出窗宽带输出至自由空间传播。

基板的材料采用无氧铜板、钼板、硅板、铝板和不锈钢板中的一种。

波导材料采用金、银和镍中的一种。

弯曲标准矩形波导为横截面的形状为矩形且具有多个直角折角的波导。弯曲标准矩形波导的长边为0.55～0.95λ，短边长为0.27～0.48λ，其中λ为设计工作的中心波长频率。弯曲标准矩形波导的横截面与矩圆模式转换器的矩形波导端口的尺寸一致。

矩圆模式转换器的圆波导端口与高斯喇叭的馈入端口的尺寸一致。矩圆模式转换器通过矩形波导截面渐变形为圆波导截面而实现。主要设计参数有矩形波导段的长边a和短边b，圆波导段半径R，矩圆模式转换器轴的过渡段的长度L₀，过渡段张角α以及圆波导段长度d；基于模式匹配原理，通过改变过渡段张角对矩圆模式转换器进行优化，得到最宽带的输出，确定α的最优值，可有效控制圆波导中的电场极化方向为垂直于整体中平面的方向，为后续布鲁斯特窗的宽频段透射做准备。

高斯喇叭的输出端口的直径为4～10λ，其中λ为设计工作的中心波长。高斯波束是一种横向电场以及辐照度分布近似满足高斯函数的电磁波束。由于输出端口与应用装置之间往往存在一段较长的传输距离，而波导模式在传输过程中存在严重的损耗，因此必须将其转化为有利于自由空间传输的高斯波束，这需要借助宽带的高斯喇叭变换器来完成。高斯喇叭天线辐射出的波束具备方向图圆周对称、旁瓣低、交叉极化低等特点，是自由空间中传输的高斯模与金属波导内的传输模之间的高效率模式耦合器，也是毫米波以及太赫兹频段理想的天线馈源。

布儒斯特窗片的材料采用金刚石、陶瓷和蓝宝石中的一种，纯度高，对太赫兹波的吸收小。布儒斯特角由布儒斯特窗片的材料决定。布儒斯特输出窗是基于布儒斯特角原理的一种宽带输出窗。自然光在电介质界面上反射和折射时，反射光和折射光均为部分偏振光。当同时有平行于入射面的P极化偏振光和垂直于入射面的S极化偏振光以布儒斯特角入射到介质表面时，P偏振光全部透射，仅有S极化偏振光被反射。布儒斯特输出窗对波束的入射角度和极化方向有严格要求，当电场以垂直窗片方向的极化角度、并以布儒斯特角入射时，能够实现全透射，几乎没有带宽限制，符合真空太赫兹辐射源宽带输出的需求，在真空电子太赫兹源中应用广泛。

弯曲标准波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗采用多层键合、一体加工的方法，实现工作在太赫兹频段。波导腔的厚度为5～10μm。

本发明的另一个目的在于提供一种太赫兹行波管超宽带准光输出系统的制备方法。

本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的制备方法，包括以下步骤：

1)提供两块基板；

2)分别将两块基板中的一面加工平整，作为加工面；

3)分别将两块基板的加工面进行预处理，使得加工面平整干净；

4)分别在两块基板的加工面上形成形状对称的半结构凹槽，半结构凹槽的形状为以中平面划分的弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗的圆波导部分的一半；

5)分别在两块基板的半结构凹槽的表面形成波导材料；

6)将两块基板的加工面相对，并紧固在一起；

7)高温下将两块基板键合在一起，从而两块基板的波导材料构成完整一体的波导腔，波导腔包括连接一体的弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗的圆波导部分；

8)确定布儒斯特输出窗的圆波导部分的位置，在圆波导部分的表面加工出平面法线与圆波导部分的轴线为布儒斯特角，形成布儒斯特窗片的载台面；

9)在载台面上加工出圆形凹槽，深度大于布儒斯特窗片；

10)将布儒斯特窗片焊接在圆形凹槽上，形成布儒斯特输出窗。

其中，在步骤1)中，基板的材料采用无氧铜板、钼板、硅板、铝板和不锈钢板中的一种，厚度为15～20mm。

在步骤4)中，加工半结构凹槽采用线切割和纳米数控铣。

在步骤5)中，波导材料采用金、银和镍中的一种，厚度为5～10μm。

在步骤7)中，高温键合的温度为390～430℃，时间为3.5～4.5小时。

在步骤8)中，布儒斯特角由布儒斯特窗片的材料决定。

在步骤10)中，布儒斯特窗片的材料采用金刚石、陶瓷和蓝宝石中的一种。

太赫兹器件结构尺寸相对于传统微波毫米波器件尺寸要小1～2个量级，传统的系统加工方式如单独加工各个部件再将其用法兰连接的方式已经不再适用，这种加工方式会造成连接处有缝隙并且会出现难以对准的情况；另外也有焊接各个部件的方式，但焊接造成的结构凸起和凹陷会造成很大的电磁波反射，严重影响传输性能。针对这种太赫兹高频且部件较多的系统，一体加工的方式极大的减少了因结构连接缝隙和焊接不平整带来的传输损耗，是未来高频器件的一个重要加工方式。

本发明的优点：

本发明采用高斯喇叭将波导模式转换为高斯模式，实现远距离的低损耗传输以及与自由空间的高效率耦合；采用布儒斯特输出窗克服了传统盒型输出窗带宽低的特点，既实现了真空密封，又保证了宽带输出；针对太赫兹器件尺寸较小的问题，本发明摒弃了传统的系统器件加工方式，一体加工成型，极大地降低了因法兰连接缝隙和焊接带来的结构凹凸不平而造成的传输损耗；针对窗片焊接时应力不均的问题，本发明采用加工载台面的方式，并在载台面上加工窗片的凹槽，焊接时窗片受力均匀，极大的降低了窗片受力开裂的可能性，减少了因窗片受力形变而造成的传输损耗；本发明能够实现电磁波在太赫兹波段的超宽带输出，且具有良好的真空密封性能。

附图说明

图1为本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的一个实施例的剖面图；

图2为本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的一个实施例的弯曲标准矩形波导的示意图；

图3为本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的一个实施例的矩圆模式转换器的示意图；

图4为本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的一个实施例的矩圆模式转换器的纵向截面示意图；

图5为本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的一个实施例的高斯喇叭的示意图；

图6为本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的一个实施例的布儒斯特输出窗的示意图；

图7为本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的一个实施例的高斯喇叭的仿真曲线图；

图8为本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的一个实施例的布儒斯特输出窗的传输曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的太赫兹行波管超宽带准光输出系统包括：基板、弯曲标准矩形波导1、矩圆模式转换器2、高斯喇叭3和布儒斯特输出窗4；其中，在两块基板的加工面上分别加工形状对称的半结构凹槽；在半结构凹槽的表面形成波导材料，两块基板的凹槽结构相对键合在一起，从而两块基板的波导材料构成完整一体的波导腔；波导腔包括弯曲标准矩形波导1、矩圆模式转换器2、高斯喇叭3和布儒斯特输出窗的圆波导部分；在圆波导部分表面形成布儒斯特窗片的载台面，在载台面上安装布儒斯特窗片，形成布儒斯特输出窗4。

在本实施例中，工作频率为0.85THz，波长0.35mm；如图2所示，矩形波导长边为0.254mm，短边为0.127mm，弯曲标准矩形波导包括三段直波导段A、B和C，长度分别为5mm、6mm和3mm，弯曲采用的是长边弯曲，弯曲轴与波导中轴线距离为0.6mm。如图3所示，矩圆模式转换器由矩形波导段、圆波导段和过渡段组成，其中矩形波导段的长边a和短边b与尺寸与弯曲标准波导相同，过渡段长度L₀为0.5mm，圆波导段的内半径R为0.15mm，长度d为1mm；基于模式匹配原理，通过改变过渡段张角对矩圆模式转换器进行优化，得到最宽带的输出，确定过渡段张角α的最优值，如图4所示。如图5所示，高斯喇叭直接连接圆波导端口，其喇叭部分长度为6mm，输出端口的直径为0.6mm，其半径随波导轴向变化曲线方程如下：

其中，a_i为高斯喇叭的馈入端口半径，a_o为高斯喇叭的输出端口半径，L为高斯喇叭的总长度，z为相对于高斯喇叭的馈入端口的位置，高斯喇叭的仿真曲线如图7所示；布儒斯特输出窗的圆波导部分与高斯喇叭的输出端口相接，其半径为0.6mm，载台面与圆波导部分的轴相交的位置距离起始端4mm，载台面与圆波导部分的横截面夹角为布儒斯特角67.5°；载台面的圆形凹槽以椭圆端口中心为圆心，深0.16mm，直径4.2mm；如图6所示，布儒斯特窗片采用金刚石窗片，介电常数5.842，直径4.1mm，厚度0.157mm。布儒斯特输出窗的传输曲线如图8所示。

本发明的太赫兹行波管超宽带准光输出系统的制备方法，包括以下步骤：

1)提供两块无氧铜作为基板，长宽均为30mm，厚度15mm；

2)分别将两块基板中的一面打磨平整，作为加工面；

3)分别将两块基板的加工面进行弱酸清洗，使得加工面平整干净；

4)分别在两块基板的加工面上，采用激光切割和纳米数控铣，加工出形状对称的半结构凹槽，半结构凹槽的形状为以中平面划分的弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗的圆波导部分的一半；

5)分别在两块基板的半结构凹槽的表面镀金；

6)将两块基板的加工面相对，并采用定位螺孔紧固在一起；

7)在400℃环境下4小时，将两块基板键合在一起，从而两块基板的波导材料构成完整一体的波导腔，波导腔包括连接一体的弯曲标准矩形波导、矩圆模式转换器、高斯喇叭和布儒斯特输出窗的圆波导部分；

8)精准定位布儒斯特输出窗的圆波导部分的位置，使用线切割，线平行于高边，走丝方向与圆波导的轴线成布儒斯特角，切割基板，形成布儒斯特窗片的载台面，布儒斯特角为67.5°；

9)在载台面使用机械加工方式，以椭圆孔中心为圆心加工一半径大于椭圆孔长轴的圆形槽，深度略大于布儒斯特窗片的厚度；

10)将布儒斯特窗片焊接在圆形凹槽上，形成布儒斯特输出窗。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

一种太赫兹行波管超宽带准光输出系统及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。