太赫兹扩展互作用速调管理论分析与仿真

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扩展互作用速调管(EIK)是由传统速调管改良发展来的线性注电真空器件,其结构上兼具了速调管与慢波线的特点。随着人们通信频段不断向更高频段迈进,对W波段以上的太赫兹波段的研究及开发正不断展开,对太赫兹频段的电真空器件的研发也迫在眉睫。现阶段成品EIK在W波段及更低的毫米波波段想比于传统速调管放大器和行波管放大器有输出功率高和增益高的优点,但其工作频率在W波段甚至更高频段时,该优点相比其他电真空放大器并不明显,因此如何让EIK在这些更高频段能有更高的输出功率和增益是现阶段急需解决的问题。本文通过改良EIK的高频结构,使其在太赫兹频段能有更高的输出功率和增益目的,主要内容由介绍太赫兹技术及现阶段的扩展互作用器件为开端,说明了传统速调管与扩展互作用器件的理论及工作原理,其中详细说明了在扩展互作用谐振腔中速度调制与电子群聚同时发生的过程。现阶段EIK高频结构中谐振腔与耦合槽的样式较多,每种结构的优缺点也不尽相同,本文首先仿真分析了四种单周期扩展互作用结构,通过比较各结构的慢波特性,选取其中的两种结构,设计并仿真两支0.1THz EIK,分别为一双直耦合槽结构的EIK和一单曲折耦合槽结构的EIK,分析两种结构单周期色散特性,耦合阻抗特性及多周期传输损耗特性。在此基础上仿真其各自加电子束后的互作用情况。其中双直耦合槽结构可实现峰值输出功率6.2k W,增益31.5d B,电子注效率3.5%。单曲折耦合槽结构可实现峰值输出功率4.8k W,增益33.8d B,电子注效率7%。最后分析电子注电压与电子注电流强度对输出特性的影响。为了探究单曲折耦合槽结构的EIK在0.3THz以上太赫兹频段的工作情况,通过调整结构参数,设计0.3THz单曲折耦合槽扩展互作用速调管,同样仿真分析其单周期色散特性,耦合阻抗特性及多周期传输损耗特性,并进行加电子注后的互作用仿真分析,仿真结果表明该EIK可在频率305.8GHz下,输出功率2.3W,增益20.6d B,电子注效率2.1%。在模拟仿真以上三支EIK的基础上,对比说明两种扩展互作用结构的优缺点,并探讨曲折耦合槽结构在太赫兹频段的实用性。最后因实际工作需要,本文最后对高频带状束扩展互作用振荡器(EIO)进行仿真分析,分析其冷腔及热腔特性。该EIO可输出94GHz高频信号,平均输出功率3.4k W,电子注效率3.5%。
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