太赫茲新型慢波結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、廣義的太赫茲波是指頻率范圍介于0.1THz至10THz之間的電磁波。對(duì)太赫茲頻譜的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是近年來(lái)物理電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中有關(guān)太赫茲輻射源的研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外太赫茲科學(xué)技術(shù)研究的關(guān)鍵課題，所取得的成果在生物科學(xué)、成像技術(shù)、材料研究和空間技術(shù)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。產(chǎn)生太赫茲輻射的技術(shù)手段主要包括固態(tài)電子器件、光學(xué)器件和真空電子器件等?；谡婵针娮訉W(xué)原理的行波放大管和返波振蕩管是兩種重要的輻射源器件，作為其中的核心部件，慢波結(jié)構(gòu)

2、決定了該類器件的工作性能。由于傳統(tǒng)的慢波結(jié)構(gòu)在太赫茲頻段出現(xiàn)了加工困難、傳輸損耗大、反射強(qiáng)、耦合阻抗低、輸出功率和電子效率較低等問(wèn)題，因此對(duì)適用于太赫茲波段的新型慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索和研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。本論文主要對(duì)太赫茲慢波結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，從高頻特性和注-波互作用特性兩個(gè)方面進(jìn)行分析，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作，研究結(jié)果對(duì)提高行波管和返波管在太赫茲頻段的工作性能具有理論指導(dǎo)意義。論文的主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.為了能

3、夠提高慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，從而增加行波管的輸出功率和電子效率，提出了一類大電子注通道新型曲折波導(dǎo)，可分別適用于圓形電子注和帶狀電子注。分析結(jié)果表明：和傳統(tǒng)曲折波導(dǎo)相比，新型曲折波導(dǎo)電子注通道位置處縱向電場(chǎng)的分布更加集中，有利于提高慢波結(jié)構(gòu)的耦合阻抗，同時(shí)新型曲折波導(dǎo)的傳輸損耗更低。在高頻特性的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了140GHz和220GHz新型曲折波導(dǎo)的輸入/輸出能量耦合結(jié)構(gòu)，建立了注-波互作用三維模型。通過(guò)對(duì)慢波結(jié)構(gòu)中注-波互作用過(guò)程的分

4、析，得到了新型曲折波導(dǎo)行波管在各工作頻點(diǎn)的性能。140GHz和220GHz兩個(gè)頻段的粒子模擬結(jié)果顯示，新型曲折波導(dǎo)行波管中心頻點(diǎn)的輸出功率和傳統(tǒng)曲折波導(dǎo)行波管相比分別提高了50％和30%，增益分別提高了7%和3.3%。
　　2.為了解決大電子注通道對(duì)曲折波導(dǎo)造成的信號(hào)反射大和發(fā)生振蕩風(fēng)險(xiǎn)大的問(wèn)題，提出了一種大電子注通道矩形曲折槽波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)。在槽波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)上，采用等效電路法和場(chǎng)匹配法對(duì)矩形曲折槽波導(dǎo)的高頻特性進(jìn)行了分析，并將數(shù)

5、值計(jì)算和仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算的正確性。最后建立了小信號(hào)注-波互作用理論方程。高頻特性分析結(jié)果表明大電子注通道對(duì)矩形曲折槽波導(dǎo)的傳輸特性的影響較小，信號(hào)反射明顯下降。與傳統(tǒng)曲折波導(dǎo)行波管相比，矩形曲折槽波導(dǎo)行波管具有更高的輸出功率和增益，并且發(fā)生振蕩的風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。
　　3.為了克服傳統(tǒng)曲折波導(dǎo)在返波管應(yīng)用中存在的缺點(diǎn)，提出了一種適用于連續(xù)波返波振蕩管的新型慢波結(jié)構(gòu)：U形曲折準(zhǔn)平板慢波結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了140GHz頻段U形曲折

6、準(zhǔn)平板返波管的高頻結(jié)構(gòu)，研究了該慢波結(jié)構(gòu)各尺寸參數(shù)對(duì)高頻特性的影響。在高頻特性的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了140GHz U形曲折準(zhǔn)平板返波管的工作參數(shù)，包括工作電壓、工作電流、聚焦磁場(chǎng)、和慢波電路長(zhǎng)度。注-波互作用計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)調(diào)諧電壓介于6kV至12kV之間，該返波管能夠在120GHz至148GHz頻率范圍產(chǎn)生大于10W的輸出功率，電子效率最高可達(dá)到14%。
　　4.進(jìn)一步在1THz頻段，研究了具有瓦量級(jí)峰值功率水平的N形曲折準(zhǔn)平板返

7、波管。N形曲折準(zhǔn)平板慢波結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工。在高頻特性分析中，將 N形曲折準(zhǔn)平板慢波結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)曲折波導(dǎo)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：曲折準(zhǔn)平板慢波結(jié)構(gòu)具有更寬的“冷”帶寬和更低的工作電壓。由于曲折準(zhǔn)平板慢波結(jié)構(gòu)工作在0次空間諧波，與工作在+1次空間諧波的傳統(tǒng)曲折波導(dǎo)相比，具有更大的耦合阻抗。最后，對(duì) N形曲折準(zhǔn)平板返波管進(jìn)行了粒子模擬計(jì)算，并且和三種常見(jiàn)的返波管進(jìn)行了比較，包括正弦波導(dǎo)返波管、矩形柵返波管和交錯(cuò)雙柵返波管。結(jié)果表明該曲折準(zhǔn)