太赫茲新型慢波結構的研究.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。對太赫茲頻譜的開發(fā)和應用是近年來物理電子學領域的研究熱點，其中有關太赫茲輻射源的研究已經成為國內外太赫茲科學技術研究的關鍵課題，所取得的成果在生物科學、成像技術、材料研究和空間技術等領域具有重要的應用價值。產生太赫茲輻射的技術手段主要包括固態(tài)電子器件、光學器件和真空電子器件等?；谡婵针娮訉W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，慢波結構

2、決定了該類器件的工作性能。由于傳統(tǒng)的慢波結構在太赫茲頻段出現(xiàn)了加工困難、傳輸損耗大、反射強、耦合阻抗低、輸出功率和電子效率較低等問題，因此對適用于太赫茲波段的新型慢波結構進行探索和研究具有重要的學術價值和應用價值。本論文主要對太赫茲慢波結構進行研究，從高頻特性和注-波互作用特性兩個方面進行分析，并進行了相關實驗工作，研究結果對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意義。論文的主要研究工作和創(chuàng)新點如下：
　　1.為了能

3、夠提高慢波結構的耦合阻抗，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，可分別適用于圓形電子注和帶狀電子注。分析結果表明：和傳統(tǒng)曲折波導相比，新型曲折波導電子注通道位置處縱向電場的分布更加集中，有利于提高慢波結構的耦合阻抗，同時新型曲折波導的傳輸損耗更低。在高頻特性的研究基礎上，設計了140GHz和220GHz新型曲折波導的輸入/輸出能量耦合結構，建立了注-波互作用三維模型。通過對慢波結構中注-波互作用過程的分

4、析，得到了新型曲折波導行波管在各工作頻點的性能。140GHz和220GHz兩個頻段的粒子模擬結果顯示，新型曲折波導行波管中心頻點的輸出功率和傳統(tǒng)曲折波導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曲折波導造成的信號反射大和發(fā)生振蕩風險大的問題，提出了一種大電子注通道矩形曲折槽波導慢波結構。在槽波導的理論基礎上，采用等效電路法和場匹配法對矩形曲折槽波導的高頻特性進行了分析，并將數(shù)

5、值計算和仿真計算結果進行對比，驗證了計算的正確性。最后建立了小信號注-波互作用理論方程。高頻特性分析結果表明大電子注通道對矩形曲折槽波導的傳輸特性的影響較小，信號反射明顯下降。與傳統(tǒng)曲折波導行波管相比，矩形曲折槽波導行波管具有更高的輸出功率和增益，并且發(fā)生振蕩的風險顯著降低。
　　3.為了克服傳統(tǒng)曲折波導在返波管應用中存在的缺點，提出了一種適用于連續(xù)波返波振蕩管的新型慢波結構：U形曲折準平板慢波結構。設計了140GHz頻段U形曲折

6、準平板返波管的高頻結構，研究了該慢波結構各尺寸參數(shù)對高頻特性的影響。在高頻特性的研究基礎上，設計了140GHz U形曲折準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、和慢波電路長度。注-波互作用計算結果表明：當調諧電壓介于6kV至12kV之間，該返波管能夠在120GHz至148GHz頻率范圍產生大于10W的輸出功率，電子效率最高可達到14%。
　　4.進一步在1THz頻段，研究了具有瓦量級峰值功率水平的N形曲折準平板返

7、波管。N形曲折準平板慢波結構的結構簡單、便于加工。在高頻特性分析中，將 N形曲折準平板慢波結構與傳統(tǒng)曲折波導進行了比較，結果表明：曲折準平板慢波結構具有更寬的“冷”帶寬和更低的工作電壓。由于曲折準平板慢波結構工作在0次空間諧波，與工作在+1次空間諧波的傳統(tǒng)曲折波導相比，具有更大的耦合阻抗。最后，對 N形曲折準平板返波管進行了粒子模擬計算，并且和三種常見的返波管進行了比較，包括正弦波導返波管、矩形柵返波管和交錯雙柵返波管。結果表明該曲折準