專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物理電子學(xué)領(lǐng)域，是涉及一種基于微帶電路的反常多普 勒電子回旋脈塞互作用電路。
背景技術(shù)：
二十世紀(jì)五十年代后期，電子回旋脈塞(Electron Cyclotron Resonance Maser， CRM)不穩(wěn)定性先后被Twiss， Schneider禾P Gapanov獨(dú)立地提 出。之后，基于電子回旋脈塞互作用的高能微波源在理論和實(shí)驗(yàn)上都得 到深入的研究，這些高能微波源在當(dāng)今的雷達(dá)通訊、定向能武器、高梯 度加速器等方面得到廣泛地應(yīng)用。
電子回旋脈塞進(jìn)一步可以分為正常多普勒電子回旋脈塞和反常多普 勒電子回旋脈塞。正常多普勒電子回旋脈塞采用螺旋前進(jìn)的電子注與電 磁模式的橫向電場(chǎng)發(fā)生互作用，基于相對(duì)論效應(yīng)，產(chǎn)生相位群聚，釋放 高能微波能量?；谠撛淼钠骷?，需要復(fù)雜的電子光學(xué)系統(tǒng)，且器件 對(duì)電子注速度零散十分敏感。
基于反常多普電子回旋脈塞原理的電子器件，可以采用直線(xiàn)電子注 與電磁模式互作用，可以大大簡(jiǎn)化電子光學(xué)系統(tǒng)，更容易設(shè)計(jì)出具有高 度均一性的電子注，這有助于提高互作用系統(tǒng)的效率。基于該原理的微 波源在亞毫米波和太赫茲頻段具有重要的應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種基于微帶電路 的反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法及系統(tǒng)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面，提供一種微帶反常多普勒電 子回旋脈塞互作用方法，包括步驟如下
步驟1:將微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)處于真空中;
步驟2:通過(guò)多級(jí)微帶線(xiàn)，提供互作用所需的慢電磁波； 步驟3:直線(xiàn)電子注注入多級(jí)微帶線(xiàn)上表面的互作用空間，與多級(jí)微 帶線(xiàn)上的慢電磁波發(fā)生反常多普勒電子回旋脈塞互作用；
步驟4:通過(guò)多級(jí)微帶線(xiàn)，改變互作用過(guò)程中電磁波的相速度，使得
反常多普勒電子回旋脈塞持續(xù)有效地進(jìn)行，直線(xiàn)電子注在互作用過(guò)程中 逐漸旋轉(zhuǎn)起來(lái)，并將能量高效地轉(zhuǎn)化成為微波的能量。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第二方面，提供一種微帶反常多普勒電子
回旋脈塞互作用系統(tǒng)，包括 具有--金屬底板；
具有一介質(zhì)基片，介質(zhì)基片位于金屬底板上； 具有一多級(jí)微帶線(xiàn)，多級(jí)微帶線(xiàn)位于介質(zhì)基片上； 具有一直線(xiàn)電子注，直線(xiàn)電子注靠近多級(jí)微帶線(xiàn)上表面； 直線(xiàn)電子注注入多級(jí)微帶線(xiàn)上表面，直線(xiàn)電子注與多級(jí)微帶線(xiàn)上傳 輸?shù)穆姶挪òl(fā)生反常多普勒電子回旋脈塞互作用。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明提出的互作用系統(tǒng)在真空條件下，采用 直線(xiàn)電子注注入多級(jí)微帶線(xiàn)上表面的互作用空間；在背景磁場(chǎng)的作用下， 電子注多級(jí)微帶線(xiàn)上傳輸?shù)穆姶挪òl(fā)生反常多普勒電子回旋脈塞互作 用，在互作用過(guò)程中，直線(xiàn)前進(jìn)的電子注逐漸旋轉(zhuǎn)起來(lái)；多級(jí)微帶線(xiàn)使 得電子注互作用過(guò)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(xù)有效進(jìn)行，最終電子注將動(dòng)能高效率地轉(zhuǎn)化成為微波 的能量。本發(fā)明大大簡(jiǎn)化常規(guī)的基于電子回旋脈塞器件的復(fù)雜的互作用 系統(tǒng)和電子光學(xué)系統(tǒng)，提高互作用效率，促進(jìn)器件的實(shí)用化。在互作用 磁場(chǎng)的作用下，電子注和慢電磁波發(fā)生反常多普勒電子回旋脈塞互作用， 激發(fā)起微波。該發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，互作用效率高，在亞毫米波、太赫 茲頻率范圍了，是極具發(fā)展?jié)摿Φ奈⒉ㄔ础?br>

圖1微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用效率示意具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)指出的是，所描述的實(shí)施 例僅在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
為了更加清楚地闡述本發(fā)明，以下首先從理論模型的角度闡述本發(fā) 明的實(shí)施方法。首先說(shuō)明常規(guī)的反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)的 特性，然后提出實(shí)施方法，并詳細(xì)闡述。
反常多普勒電子回旋脈塞的理論模型如下常規(guī)的反常多普勒電子 回旋脈塞的互作用系統(tǒng)處于真空中，且有背景磁場(chǎng)盡。假設(shè)互作用系統(tǒng) 填充介質(zhì)，使得其中傳輸?shù)碾姶挪槁ㄆ矫骐姶挪ā＜僭O(shè)互作用系統(tǒng) 軸向開(kāi)孔，形成直線(xiàn)電子注通道，直線(xiàn)電子注注入該通道，且不改變慢 平面電磁波的傳輸特性。
基于該理論模型，我們建立了一套自洽非線(xiàn)性理論，較為準(zhǔn)確地估 計(jì)理論模型中的反常多普勒電子回旋脈塞互作用過(guò)程。
在上述理論模型中，與電子發(fā)生反常多普勒電子回旋脈塞互作用的 平面電磁波的極化方向與電子的橫向旋轉(zhuǎn)方向相反。電子滿(mǎn)足基本的運(yùn) 動(dòng)方程
<formula>formula see original document page 5</formula>(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(duì)論因子，e為電子電荷，氣為電子靜止質(zhì)量，^和5分別為電磁 波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這樣的互作用過(guò)程可以分為兩個(gè)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(zhì)的介電常數(shù)。在此階段圓偏振波作用于電子的橫 向作用力&為
<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)
五是電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度；當(dāng)電子的初始速度大于電磁波的相速度，橫向作 用力^將使得電子沿電場(chǎng)方向加速，電子出現(xiàn)橫向速度^，橫向速度^的 出現(xiàn)使得電子將受到一個(gè)縱向作用力<formula>formula see original document page 5</formula>(3)
該縱向作用力FZ沿電子運(yùn)動(dòng)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(dòng)量減小，且橫向動(dòng)量增加，整體體現(xiàn)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(xù)減小，當(dāng) VZ<VPH以后，進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(chǎng)的5的夾角φ始終小于π/2。 在互作用過(guò)程中φ持續(xù)增大，當(dāng)φ＞π/2時(shí)，第二階段結(jié)束，即電子釋放能 量結(jié)束。也就是說(shuō)電子的橫向速度vl與電場(chǎng)的E的夾角φ始為π/2時(shí)，電 子釋放的能量最多，對(duì)應(yīng)于最大的互作用效率。
為了將這種理論模型轉(zhuǎn)化成為簡(jiǎn)單可行的實(shí)際器件，本發(fā)明提出了 一種微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法。本發(fā)明的基本思想就是， 將微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)處于真空中；通過(guò)多級(jí)微帶 線(xiàn)3，提供互作用所需的慢電磁波，且是準(zhǔn)平面電磁波；直線(xiàn)電子注4注 入多級(jí)微帶線(xiàn)3上表面的互作用空間，與多級(jí)微帶線(xiàn)3上的慢電磁波發(fā) 生反常多普勒電子回旋脈塞互作用；通過(guò)多級(jí)微帶線(xiàn)3，改變互作用過(guò)程 中電磁波的相速度，使得互作用過(guò)程中，注波相位始終同步，反常多普 勒電子回旋脈塞互作用能持續(xù)有效地進(jìn)行；直線(xiàn)電子注4在互作用過(guò)程 中逐漸旋轉(zhuǎn)起來(lái)，并將能量高效地轉(zhuǎn)化成為微波的能量。
整個(gè)互作用系統(tǒng)處于真空中，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(shù)，vz是直線(xiàn) 電子注的軸向速度，Ωc是電子在背景靜磁場(chǎng)下的回旋頻率，s是互作用諧 波數(shù)。
本發(fā)明的實(shí)施例如圖1所示，微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用 系統(tǒng)包括金屬底板1、介質(zhì)基片2、多級(jí)微帶線(xiàn)3、直線(xiàn)電子注4、互 作用磁場(chǎng)S。，在金屬底板1上有介質(zhì)基片2，在介質(zhì)基片2上有多級(jí)微帶 線(xiàn)3，直線(xiàn)電子注4靠近多級(jí)微帶線(xiàn)3上表面；直線(xiàn)電子注4注入多級(jí)微 帶線(xiàn)3上表面的互作用空間，與多級(jí)微帶線(xiàn)3上傳輸?shù)穆姶挪òl(fā)生反
常多普勒電子回旋脈塞互作用，直線(xiàn)電子注4在互作用過(guò)程中逐漸旋轉(zhuǎn) 起來(lái)，并將能量高效地轉(zhuǎn)化成為微波的能量。
該互作用系統(tǒng)在真空條件下，采用直線(xiàn)電子注4注入多級(jí)微帶線(xiàn)3 上表面的互作用空間；多級(jí)微帶線(xiàn)3由一級(jí)微帶線(xiàn)3a、 二級(jí)微帶線(xiàn)3b和 三級(jí)微帶線(xiàn)3c構(gòu)成， 一級(jí)微帶線(xiàn)3a、 二級(jí)微帶線(xiàn)3b及三級(jí)微帶線(xiàn)3c串 聯(lián)排列于介質(zhì)基片2上。 一級(jí)微帶線(xiàn)3a、 二級(jí)微帶線(xiàn)3b和三級(jí)微帶線(xiàn)3c 的寬度依次增加，使得多級(jí)微帶線(xiàn)3上傳輸?shù)穆姶挪ǖ南嗨俣纫来螠p 小，直線(xiàn)電子注4在互作用過(guò)程中逐漸旋轉(zhuǎn)起來(lái)，且不斷地將動(dòng)能轉(zhuǎn)化 成為微波的能量，在此過(guò)程中，多級(jí)微帶線(xiàn)3上傳輸?shù)穆姶挪軌蚴?終維持與直線(xiàn)電子注4的相位同步，反常多普勒電子回旋脈塞能夠持續(xù) 有效進(jìn)行，最終直線(xiàn)電子注4將動(dòng)能高效率地轉(zhuǎn)化成為微波的能量。通 過(guò)多級(jí)微帶線(xiàn)3，保持直線(xiàn)電子注4與電磁波的反常多普勒電子回旋脈塞 互作用過(guò)程中的相位同步條件，維持有效互作用持續(xù)進(jìn)行，提高注波互 作用效率。
由于基于本發(fā)明提出的這種基于微帶線(xiàn)的反常多普勒電子回旋脈塞
的注波耦合比較弱，所以一般都采用基波工作，即互作用系統(tǒng)工作在一 次諧波條件下，方程(4)中的s取1，這說(shuō)明互作用系統(tǒng)所需的磁場(chǎng)隨 系統(tǒng)的工作頻率升高而增加。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，本發(fā)明提出的方案在 1GHz 1THz的范圍內(nèi)物理上都是可以實(shí)現(xiàn)的，因此本發(fā)明的具體實(shí)施例 選用中間頻率W波段大氣窗口 95GHz而進(jìn)行設(shè)計(jì)。
本實(shí)施例的工作頻率為95GHz。介質(zhì)基片2采用氧化鈹(BeO)，其 相對(duì)介電常數(shù)為6.8，厚度為2mm。直線(xiàn)電子注4在多級(jí)微帶線(xiàn)3表面的 互作用空間與微帶線(xiàn)上的慢電磁波發(fā)生反常多普勒電子回旋脈塞互作 用。 一級(jí)微帶線(xiàn)3a、 二級(jí)微帶線(xiàn)3b、三級(jí)微帶線(xiàn)3c的寬度分別為10mm、 18mm、 30mm。
根據(jù)微帶線(xiàn)3的等效介電常數(shù)^公式，
<formula>complex formula see original document page 7</formula> (5)
其中，^為介質(zhì)基片2的介電常數(shù)，J為介質(zhì)基片2的厚度，『為多級(jí)微 帶線(xiàn)3的寬度。因此多級(jí)微帶線(xiàn)3的等效相對(duì)介電常數(shù)^分別為5.37、5.8、6.2。
互作用系統(tǒng)采用10kV直線(xiàn)電子注4，電流100mA，互作用磁場(chǎng)S。根 據(jù)公式，
計(jì)算得到，^是直線(xiàn)電子注4的軸向速度；^是一級(jí)微帶線(xiàn)3a表面的電 磁波軸波數(shù)。本實(shí)施例中，互作用磁場(chǎng)S。選用2.896T。 一級(jí)微帶線(xiàn)3a、 二級(jí)微帶線(xiàn)3b作用系統(tǒng)效率為優(yōu)化目標(biāo)而確定。根據(jù)我們建立的單粒子 自洽非線(xiàn)性理、三級(jí)微帶線(xiàn)3c各自的長(zhǎng)度不同，各自的長(zhǎng)度依據(jù)最大化 互論，以最大互作用效率為優(yōu)化目標(biāo)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后一級(jí)微帶線(xiàn)3a、 二級(jí) 微帶線(xiàn)3b、三級(jí)微帶線(xiàn)3c的長(zhǎng)度分別是35.2mm、 10.2mm、 13.3mm。該 系統(tǒng)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(jí)微帶線(xiàn)3與常規(guī)的波導(dǎo)系統(tǒng)有著根本的區(qū)別多級(jí)微帶線(xiàn)3是 一種平面電路，可以采用印刷電路板工藝制作，整個(gè)工藝流程簡(jiǎn)單成本 低廉；多級(jí)微帶線(xiàn)3是一種平面電路，結(jié)構(gòu)緊湊。采用多級(jí)微帶線(xiàn)3作 為反常多普勒電子回旋脈塞的互作用電路具有以下優(yōu)點(diǎn)階梯躍變的多 級(jí)微帶線(xiàn)3，每一級(jí)微帶線(xiàn)，即一級(jí)微帶線(xiàn)3a、 二級(jí)微帶線(xiàn)3b和三級(jí)微 帶線(xiàn)3c，都具有確定的寬度，可以很方便地進(jìn)行理論優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)調(diào) 試；多級(jí)微帶線(xiàn)3的寬度隨其級(jí)數(shù)依次增加，多級(jí)微帶線(xiàn)3上傳輸?shù)碾?磁波相速度依次減小，這使得直線(xiàn)電子注4經(jīng)過(guò)每一級(jí)微帶線(xiàn)時(shí)都能夠 維持注波同步，保證互作用持續(xù)有效進(jìn)行，獲得較高的互作用效率；整 個(gè)互作用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，且容易實(shí)現(xiàn)；由于互作用系統(tǒng)的平 面化，且結(jié)構(gòu)較小，可以進(jìn)行多互作用系統(tǒng)集成，增加整體的輸出功率。 選用BeO作為介質(zhì)基片2，是因?yàn)榛プ饔眠^(guò)程中，為了保證較強(qiáng)的注 波耦合強(qiáng)度，直線(xiàn)電子注4通常緊靠微帶線(xiàn)表面，互作用過(guò)程中，部分 電子不可避免地轟擊微帶線(xiàn)，產(chǎn)生熱損耗，此時(shí)，BeO介質(zhì)基片2可以 發(fā)揮其優(yōu)良的導(dǎo)熱能力，及時(shí)將熱量通過(guò)金屬底板1傳導(dǎo)出去，保證系 統(tǒng)在較低的溫度下工作。選用其他高介電常數(shù)的材料，可能獲得更高的 互作用效率，但是其導(dǎo)熱能力可能不及BeO。
本發(fā)明提出的互作用系統(tǒng)中，許多介質(zhì)都可以作為介質(zhì)基片2，如常
見(jiàn)的^203、陶瓷等。具體選擇何種材料作為介質(zhì)基片2，視實(shí)際互作用系
統(tǒng)而確定，且介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)在10數(shù)量級(jí)上，介質(zhì)材料的損耗 特性越低越好。介質(zhì)基片2的厚度可以取值0.2mm 5mm范圍內(nèi)都是可 行的，具體視實(shí)際的互作用系統(tǒng)的工作頻率和選用的介質(zhì)材料而確定， 介質(zhì)基片2厚度選擇某個(gè)恰當(dāng)?shù)暮穸葧r(shí)，多級(jí)微帶線(xiàn)3上表面的波相對(duì) 較強(qiáng)，使得注波耦合較強(qiáng)。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并 不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理 解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)，因此，本發(fā) 明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1、一種微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)，包括具有一金屬底板；具有一介質(zhì)基片，介質(zhì)基片位于金屬底板上；其特征在于還包括具有一多級(jí)微帶線(xiàn)，多級(jí)微帶線(xiàn)位于介質(zhì)基片上；具有一直線(xiàn)電子注，直線(xiàn)電子注靠近多級(jí)微帶線(xiàn)上表面；直線(xiàn)電子注注入多級(jí)微帶線(xiàn)上表面，直線(xiàn)電子注與多級(jí)微帶線(xiàn)上傳輸?shù)穆姶挪òl(fā)生反常多普勒電子回旋脈塞互作用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)， 其特征在于，其中多級(jí)微帶線(xiàn)具有一級(jí)微帶線(xiàn)、二級(jí)微帶線(xiàn)和三級(jí)微帶 線(xiàn)； 一級(jí)微帶線(xiàn)、二級(jí)微帶線(xiàn)及三級(jí)微帶線(xiàn)串聯(lián)排列于介質(zhì)基片上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)， 其特征在于，其中一級(jí)微帶線(xiàn)、二級(jí)微帶線(xiàn)、三級(jí)微帶線(xiàn)依次變寬，使 各級(jí)微帶線(xiàn)上傳輸?shù)穆姶挪ǖ南嗨俣纫来螠p小。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)， 其特征在于，其中一級(jí)微帶線(xiàn)、二級(jí)微帶線(xiàn)、三級(jí)微帶線(xiàn)各自的長(zhǎng)度不 同，各自的長(zhǎng)度依據(jù)最大化互作用系統(tǒng)效率為優(yōu)化目標(biāo)而確定。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)， 其特征在于，其中介質(zhì)基片選用BeO。
6、 一種微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法，其特征在于，包 括步驟如下步驟h將微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用系統(tǒng)處于真空中；步驟2:通過(guò)多級(jí)微帶線(xiàn)，提供互作用所需的慢電磁波；步驟3:直線(xiàn)電子注注入多級(jí)微帶線(xiàn)上表面的互作用空間，與多級(jí)微帶線(xiàn)上的慢電磁波發(fā)生反常多普勒電子回旋脈塞互作用；步驟4:通過(guò)多級(jí)微帶線(xiàn)，改變互作用過(guò)程中電磁波的相速度，使得反常多普勒電子回旋脈塞持續(xù)有效地進(jìn)行，直線(xiàn)電子注在互作用過(guò)程中逐漸旋轉(zhuǎn)起來(lái)，并將能量高效地轉(zhuǎn)化成為微波的能量。
全文摘要
本發(fā)明一種微帶反常多普勒電子回旋脈塞互作用方法及系統(tǒng)，該互作用系統(tǒng)處于真空中，使用金屬底板、介質(zhì)基片、多級(jí)微帶線(xiàn)、直線(xiàn)電子注；多級(jí)微帶線(xiàn)上傳輸慢電磁波，直線(xiàn)電子注注入多級(jí)微帶線(xiàn)上表面的互作用空間，在互作用磁場(chǎng)的作用下，直線(xiàn)電子注和慢電磁波發(fā)生反常多普勒電子回旋脈塞互作用，激發(fā)起微波。該發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，互作用效率高，在亞毫米波、太赫茲頻率范圍，是極具發(fā)展?jié)摿Φ奈⒉ㄔ础?br> 文檔編號(hào)H01P3/08GK101345387SQ20081011897
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月27日
發(fā)明者劉濮鯤, 杜朝海 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所