太赫茲回旋管準(zhǔn)光模式變換器的研究.pdf

1、太赫茲波介于毫米波和紅外之間，它的產(chǎn)生和應(yīng)用是目前國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)?；匦芤呀?jīng)被證明是最有可能產(chǎn)生大功率太赫茲信號(hào)的器件。太赫茲波為亞毫米波，其波長(zhǎng)很短，在波導(dǎo)中傳輸損耗大。為增大注－波互作用腔體的尺寸，太赫茲回旋管通常工作于高階模式。然而高階模式電磁波不利于在自由空間中傳輸和應(yīng)用，因此為了增大回旋管的收集極半徑，提高輸出功率，需要采用準(zhǔn)光模式變換器橫向輸出太赫茲波。采用準(zhǔn)光模式變換器可以減少輸出窗的反射，防止反射波加熱電子注從而影

2、響注－波互作用的穩(wěn)定性。因此，研究太赫茲回旋管準(zhǔn)光模式變換器具有非常重要的意義。
　　本文首先對(duì)W波段回旋管的準(zhǔn)光模式變換器進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)工作于高階旋轉(zhuǎn)模式TE17,4，輸出頻率為0.42THz的回旋管準(zhǔn)光模式變換器進(jìn)行研究分析。
　　本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新之處可概述如下：
　　1、采用正弦幅度曲線代替了傳統(tǒng)的梯形折線幅度曲線設(shè)計(jì)了太赫茲波的Denisov輻射器。Denisov輻射器是Vlasov輻射器改進(jìn)型

3、結(jié)構(gòu)，它采用了一段壁擾動(dòng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)輸入的電磁波進(jìn)行預(yù)聚束成類高斯束分布。擾動(dòng)結(jié)構(gòu)通常采用螺旋波紋形式，擾動(dòng)深度沿傳播方向成梯形折線分布，這種分布結(jié)構(gòu)在折線的拐點(diǎn)處存在奇點(diǎn)。奇點(diǎn)的存在使波導(dǎo)內(nèi)耦合系數(shù)的推導(dǎo)與數(shù)值計(jì)算帶來(lái)了困難。本文采用的正弦幅度曲線存在連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)，避免了奇點(diǎn)的存在，減少了計(jì)算難度，同時(shí)也減小了寄生模式。
　　2、采用矢量繞射積分法計(jì)算了輻射口輸出的輻射場(chǎng)，輻射場(chǎng)分布與給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。高階模式輸入的輻射器采用

4、螺旋切口結(jié)構(gòu)，電磁波從螺旋切口向外輻射，輻射場(chǎng)的功率和效率是影響整個(gè)準(zhǔn)光模式變換器的性能的主要因素。因此需要精確計(jì)算輻射口的場(chǎng)分布。目前國(guó)際上主要采用三維仿真軟件進(jìn)行仿真分析，但隨著工作模式和頻率的提高，三維仿真軟件需要大量的計(jì)算機(jī)資源和時(shí)間。矢量繞射積分法既可以滿足計(jì)算精度的要求也可以大大減小計(jì)算機(jī)資源和縮短計(jì)算時(shí)間。
　　3、矢量繞射積分法與標(biāo)量繞射積分法相結(jié)合計(jì)算各個(gè)反射鏡面上的場(chǎng)分布。標(biāo)量繞射積分法具有計(jì)算量小，計(jì)算速度快

5、等優(yōu)點(diǎn)，但由于忽略了鏡面邊沿上的場(chǎng)分布，計(jì)算精度被降低了。矢量繞射積分法計(jì)算量大，精度高。本文結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，先采用標(biāo)量繞射積分法計(jì)算出各個(gè)鏡面的位置和尺寸，再采用矢量繞射法精確計(jì)算鏡面上的場(chǎng)分布和精確調(diào)整反射面的各個(gè)幾何參數(shù)。
　　4、設(shè)計(jì)了工作于0.1THz TE6,2的太赫茲準(zhǔn)光模式變換器。在傳統(tǒng)的擾動(dòng)方程的基礎(chǔ)上增加了多項(xiàng)擾動(dòng)因子，增強(qiáng)了擾動(dòng)結(jié)構(gòu)的靈活性。采用耦合波理論計(jì)算了擾動(dòng)段內(nèi)各個(gè)模式沿縱向的功率分布，分析了輻射口的

6、高斯束參數(shù)，分析了輸出電磁波的旋轉(zhuǎn)方向?qū)δＪ阶儞Q器的轉(zhuǎn)換效率和功率的影響。結(jié)合本文所依賴的課題，采用四個(gè)反射鏡對(duì)輸出的輻射場(chǎng)進(jìn)行相位修正。
　　5、設(shè)計(jì)了工作于0.42THz TE17,4高階模式高過(guò)模的太赫茲回旋管準(zhǔn)光模式變換器。由于工作模式很高，可能存在很多的寄生模式，需要分析波導(dǎo)內(nèi)可能耦合出的各個(gè)寄生模式，從而采用相應(yīng)的措施抑制寄生模式。太赫茲波長(zhǎng)很短，波導(dǎo)截止半徑很小，因此回旋管收集極工作于高過(guò)模狀態(tài)，不適合采用Denis