基于孔-柵平板慢波結(jié)構(gòu)的太赫茲返波管研究.pdf

1、太赫茲波（0.1~10 THz）具有穿透性、寬帶寬和低光子能量等特性，可應(yīng)用于醫(yī)療成像、高速率數(shù)據(jù)通信、氣體傳感、高分辨率雷達(dá)等。輻射源的研究是太赫茲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，太赫茲返波管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，且具有較寬的電子調(diào)諧范圍，因此是一種非常重要的太赫茲真空電子學(xué)輻射源。但返波管仍需要向更高的輸出功率和效率、更緊湊的尺寸、更輕的重量以及更低的電流密度等方向發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)：多電子注的應(yīng)用可以增加輸出功率和降低工作電流密度；適用于平板器件的帶狀電

2、子注可以靠近慢波結(jié)構(gòu)表面，增強(qiáng)注波互作用、提高輸出功率，其較低的空間電荷效應(yīng)可以降低對(duì)聚焦磁場(chǎng)的要求；亞波長(zhǎng)孔陣列結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波具有增強(qiáng)透射的特性，可用于太赫茲輻射源研究。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種可以由帶狀雙電子注驅(qū)動(dòng)的、基于孔-柵慢波結(jié)構(gòu)的太赫茲返波管，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析、仿真模擬和實(shí)驗(yàn)研究。本論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1、在平板光柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入亞波長(zhǎng)孔陣列，提出了單孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)。采用縱向場(chǎng)法和場(chǎng)匹配法推導(dǎo)

3、出色散方程并驗(yàn)證其正確性；利用HFSS軟件分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)慢波結(jié)構(gòu)高頻特性的影響，討論了結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)分布特性；使用 Chipic軟件進(jìn)行了三維粒子模擬。結(jié)果表明單孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)利用了亞波長(zhǎng)孔陣列對(duì)電磁波的增強(qiáng)透射特性，使上、下電子注通道中的電場(chǎng)具有整體性，從而使得單孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)返波管具有注波互作用空間大、互作用功率高、達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)。
　　2、利用光柵、孔分別對(duì)結(jié)構(gòu)中表面電場(chǎng)分布特性的影響，通過優(yōu)化孔的數(shù)量及位置，設(shè)

4、計(jì)了雙孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)，改善了孔-柵慢波結(jié)構(gòu)的電子注通道中表面電場(chǎng)的橫向分布特性，有利于帶狀電子注的穩(wěn)定傳輸。在雙孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)高頻特性分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和優(yōu)化了0.14 THz雙孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)返波管，使用 CST Particle Studio進(jìn)行了詳細(xì)的三維粒子模擬研究，分析了工作參數(shù)對(duì)輸出的影響并詳細(xì)闡明了其物理機(jī)理。結(jié)果表明：雙孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)返波管具有低電壓、低電流密度的性能，且能在7.6 GHz調(diào)諧帶寬內(nèi)得到瓦級(jí)輸出；同

5、時(shí)，由于孔陣列的引入，雙孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)返波管的輸出不會(huì)受到兩個(gè)電子注電流差異的影響，且只要一個(gè)電子注的電流密度高于最低起振電流密度，返波管就能夠得到穩(wěn)定的輸出，因此能夠降低對(duì)雙電子注電子槍的要求，使其在工程上更具有可實(shí)現(xiàn)性。
　　3、利用1/4圓弧彎波導(dǎo)對(duì)電磁波相位的調(diào)制作用，設(shè)計(jì)分析了適用于將兩個(gè)等幅反相的信號(hào)進(jìn)行合成的E面功率合成器，避免了傳統(tǒng)T型結(jié)構(gòu)功率合成器中的微細(xì)結(jié)構(gòu)，降低了合成器的設(shè)計(jì)與加工難度。并且基于分析結(jié)果提出

6、了一種利用解析幾何來設(shè)計(jì) E面功率合成器的方法，通過該方法可以便捷的設(shè)計(jì)出各頻段具有不同相對(duì)帶寬的E面功率合成器。
　　4、利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和孔陣列的增強(qiáng)透射特性，提出了基于雙孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)的多層級(jí)聯(lián)返波管方案，研究了結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布、輸出特性及注波互作用的物理過程。結(jié)果表明，相比于單層雙孔-光柵慢波結(jié)構(gòu)返波管，基于雙層、三層級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的返波管可以獲得更高的輸出，且效率分別提升了23％和30%；系統(tǒng)中電磁波能量主要從外層兩個(gè)電子注通