0.22 THz行波管电子光学系统及慢波结构的研究

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太赫兹技术在高速通信、高分辨率雷达、成像以及材料分析等领域具有广泛的应用前景。太赫兹辐射源是太赫兹技术的关键核心电子器件,具有重要的研究价值。作为一种太赫兹辐射源,行波管是利用慢波结构中的行波场与电子注进行互作用而发生能量交换的一种线性注真空电子器件,具有高功率、宽带宽、高增益和高效率等优点。随着太赫兹辐射源需求日渐迫切,近年来太赫兹行波管获得了广泛关注。然而,当行波管工作频率由微波频段提升至太赫兹频段,存在着许多难点制约着太赫兹行波管的发展,例如:(1)器件的关键尺寸急剧减小,小尺寸部件的加工精度和装配一致性较难保证;(2)电子注通道缩小,导致电子注传输电流减小,器件实现高输出功率愈发困难;(3)趋肤深度减小,慢波结构损耗增加等问题。相对于圆形电子注,带状注具有更大横截面尺寸,在相同电流密度下可以传输更大电流,因而有利于太赫兹行波管获得高输出功率。国内外围绕太赫兹行波管,特别是工作频率位于大气窗口之一的0.22 THz行波管开展了大量的研究工作,取得了诸多的进展,但太赫兹带状注行波管还尚未完全成熟,仍需深入研究。为了发展太赫兹带状注行波管,需要开展太赫兹电子光学系统和适合工作于太赫兹频段的慢波结构研究。鉴于此,本学位论文通过理论、仿真和实验的手段研究了用于0.22 THz带状注行波管的电子光学系统和慢波结构。论文的主要研究内容和创新点如下:1.开展了0.22 THz行波管的带状注电子光学系统的仿真与实验研究。对适用于0.22 THz行波管的大电流带状注电子枪进行了仿真设计,给出了椭圆阴极和圆形阴极带状注电子枪的设计方案,完成了椭圆和圆形阴极发射性能测试以及带状注电子枪的实验验证。基于上述带状注电子枪的研究结果,提出了一种新型可调PCM聚焦装置用于带状注聚焦,仿真结果表明带状注的稳定传输距离超过60 mm。此外,对新型可调PCM聚焦装置展开了实验验证,轴向磁场的测试结果与设计结果吻合良好。并对圆形阴极带状注电子枪方案的电子光学系统开展了实验,测试结果表明,在注电压为22 k V,注电流达到115 m A,电子流通率达到92.1%。2.提出了一种适用于0.22 THz行波管的宽带、高耦合阻抗、低传输损耗的改进型交错双栅慢波结构。对单周期改进型交错双栅慢波结构进行了高频特性模拟,计算结果表明其基模的+1次空间谐波平均耦合阻抗比同参数下传统交错双栅慢波结构耦合阻抗提高了约10%。开展了具有85个周期的改进型交错双栅慢波结的传输特性仿真计算,频带内计算的传输系数S21介于-4.7~-3.9 d B之间,比传统交错双栅慢波结构提高了约0.5 d B以上。完成了0.22 THz单段改进型交错双栅慢波结构的加工装配与传输特性验证,在0.211~0.26 THz频率范围,测得的传输损耗小于0.79 d B/cm,与仿真计算结果很一致。3.为了发展高功率和紧凑型0.22 THz行波管,提出并研究了一种全金属的超构材料慢波结构。超构材料慢波结构相比同频段常规慢波结构具有明显优势,例如高耦合阻抗、双带状注通道和小型化。耦合阻抗计算结果表明:在0.21~0.226 THz频率范围,超构材料慢波结构基模的1次空间谐波的平均耦合阻抗仿真计算值超过5Ω。对基于超构材料慢波结构的0.22 THz双带状注行波管进行了注-波互作用仿真分析,输入功率为100 m W,预测得到最大饱和输出功率达到400 W,3 d B带宽为5.4 GHz。此外,该行波管互作用结构总长度仅为29.2 mm。超构材料慢波结构的提出为新型高功率和紧凑型0.22 THz行波管提供了一种思路。4.提出了一种带有衰减器的0.22 THz双段改进型交错双栅带状注行波管。完成了电子光学系统、整管的传输反射特性、注-波互作用特性的仿真计算;提出了带有衰减器的0.22 THz双段改进型交错双栅慢波结构的加工、装配和焊接方案,并进行了传输与反射特性的实验验证。0.22 THz双段改进型交错双栅慢波结构冷测结果表明,在0.202~0.26 THz频率范围,反射系数S11和传输系数S21分别低于-11 d B和-40 d B,与模拟结果较接近。此外,对具有输入输出耦合器的0.22 THz双段改进型交错双栅慢波结构开展了冷测。结果如下:(1)输入端口:在0.213~0.247THz测得的驻波比低于1.5;(2)输出端口:在0.214~0.243 THz驻波比低于1.5。
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